WO2016000672A1 - Zvlinderkopf und verbrennungsmotor - Google Patents

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WO2016000672A1
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cylinder head
valve plate
gas
channel
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Dirk Ohlmann
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F01L2003/251—Large number of valves, e.g. five or more
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    • F01L2003/258—Valve configurations in relation to engine opening away from cylinder
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F2001/244—Arrangement of valve stems in cylinder heads
    • F02F2001/247—Arrangement of valve stems in cylinder heads the valve stems being orientated in parallel with the cylinder axis

Definitions

  • the present invention relates to a cylinder head and a four-stroke internal combustion engine and a two-stroke internal combustion engine with a cylinder head.
  • Conventional cylinder heads for four-stroke combustion engines have 2, 4 or 5 poppet valves on the intake and exhaust sides, respectively. These controlled valves are responsible for the cyclically metered supply of the air to be combusted or the air-fuel mixture into the cylinder as well as the outlet of the exhaust gases from the cylinder.
  • the intake valve releases the cross-section of the intake passage to the combustion chamber in the cylinder, and the exhaust valve releases the exhaust ports for exhaustion of the burnt gases.
  • the valves open the way for the intake air from the cylinder head to the combustion chamber and for the exhaust gases from the combustion chamber to the outlet of the cylinder head.
  • the released area of each valve is thus an annular gap, defined by the circumference of the cross-section of the released channel and the height of the valve lift. Through this released from the annular gap annular gap surface, the gas must flow.
  • the degree of filling of a cylinder air or air-fuel mass added to the cylinder in relation to the maximum theoretical air or fuel mass in the cylinder
  • the performance of a cylinder can be increased.
  • An improvement tion of the degree of filling is particularly required in high-speed engines, because with increasing speed proportionally reduces the time in which the gas exchange can take place.
  • a disadvantage of the conventional poppet valves are the flow losses that occur because the gas must flow around the valve head.
  • the poppet valve On the inlet side, the poppet valve is designed aerodynamically, but valve stem and valve head are inevitably in the gas flow (air or air-fuel mixture) and thus cause a flow resistance against the intake air. This results in flow losses, which cause higher fuel consumption due to a reduced efficiency of the engine.
  • Valve overlap allows the fresh air (gas mixture) to purge the residual gas from the residual volume in the cylinder.
  • the piston is at the top dead center for this purpose while intake and exhaust valves are open at the same time. Again, the fresh air (gas mixture) must flow around the inlet valve and a dead space forms behind the valve.
  • Prolonged valve overlap allows a more thorough rinsing of the residual gas, but also means higher flushing losses and lower efficiency. This is accepted in conventional valves in order to achieve better cylinder filling and higher engine power.
  • the conventional valve On the outlet side, the conventional valve is a flow-adverse obstacle. It forms a circular wall perpendicular to the flow. This geometric arrangement of the valve in the flow flow causes high flow losses when expelling the exhaust gas. This leads to further efficiency losses of the engine.
  • a cylinder head with a rigidly connected to the cylinder head valve and a movably mounted on the cylinder head valve plate is known.
  • Further examples of valve plate and valves rigidly connected to the cylinder head are known from EP 0 935 062 A2, WO 2012 118757 A1 and DE 694 11 391 T2.
  • Examples of a cylinder head for a two-stroke internal combustion engine are known from WO 2012 149915 A2 and FR 2 745 328 A1.
  • valves on the cylinder head of an internal combustion engine, each with at least one inlet and outlet opening in the cylinder head such that the openings are additionally covered with a single common valve and each opening in each case with a valve-like disc.
  • the object of the invention is to provide a cylinder head in which the flow around the valves is improved. Another object of the invention is to provide an internal combustion engine with improved gas exchange.
  • the invention is based in a first aspect of a cylinder head for an internal combustion engine, which comprises a gas passage with at least one valve associated with the gas passage.
  • this gas channel is a gas channel which has the function of an inlet and outlet channel.
  • the at least one valve is a valve plug rigidly connected to the cylinder head.
  • the gas channel is assigned a valve plate. This valve plate is movably mounted on the cylinder head. Further points the valve plate openings, which correspond to the at least one valve plug of the gas channel.
  • the invention proceeds from a cylinder head for an internal combustion engine comprising a gas inlet channel with at least one inlet valve and a gas outlet channel with at least one outlet valve. It is proposed that the at least one inlet valve and the at least one outlet valve are rigidly connected to the cylinder head inlet valve plugs and exhaust valve plugs and that the gas inlet channel is associated with a first valve plate and the Abgasauslasskanal a second valve plate, which are movably mounted on the cylinder head, wherein the first valve plate to the at least one inlet valve plug of the gas inlet channel has a corresponding opening and the second valve plate to the at least one exhaust valve plug of the exhaust gas outlet channel has a corresponding opening.
  • the first and second valve plate are each mounted independently of each other on the cylinder head.
  • a valve plate is connected to a valve drive connectable to the cylinder head.
  • It can be used all known from the prior art valve trains, especially mechanically controlled cam with transmission elements such as finger lever, rocker arm or rocker arm.
  • the valve train can also be controlled hydraulically, pneumatically or electromagnetically. All types of known variable valve train that also drive poppet valves can be used with slight design changes and adjustments.
  • the gas inlet channel and the Abgasauslasskanal are separated from each other.
  • the openings in a valve plate are, for example, circular, oval, semicircular, rectangular or formed as a combination thereof.
  • the openings may have any opening shape.
  • the openings may have different shapes and / or the cross-sectional areas of the openings may be different.
  • Especially perforations may be arranged in groups, ie, different groups of openings each have openings with different shapes and / or different cross-sectional areas.
  • the individual perforations may have different diameters, each with the same opening shape. But it is also possible that the individual openings have different opening shapes, i. a first group of apertures has a circular opening and a second group has a rectangular opening.
  • a gas passage in a cylinder head e.g. the intake passage or the exhaust passage has, according to the cylinder heads known from the prior art, at least one valve.
  • this valve in a gas duct is not movably mounted on the cylinder head, but in the present invention it is rigidly connected to the cylinder head.
  • the valve is hereinafter referred to as valve plug.
  • a valve plug is assigned to either the inlet channel or the outlet channel.
  • the valve plug may be molded to the cylinder head, for example. But it is also possible that the valve plug is screwed into the cylinder head or welded to the cylinder head.
  • the valve plug essentially consists of a valve stem and a valve disk, the valve stem being attached to the cylinder head in such a way that the valve plug is immovable, i. the valve plug can perform no movement axially to the valve stem, in contrast to the prior art.
  • the gas channel eg the inlet channel or the exhaust gas outlet channel is assigned a valve plate.
  • the valve plate is aligned, for example, perpendicular to the axis of the valve stem of the valve plug.
  • This valve plate is movably mounted on the cylinder head.
  • the valve plate has one or more openings. These openings correspond to the valve stoppers of the gas channel.
  • each valve plug of the gas channel is assigned exactly one opening in the valve plate.
  • An aperture serves to pass gas into the Gas duct or out of the gas duct.
  • This valve plate is used to complete or open the gas channel.
  • When closing the gas channel the valve plate is moved in the direction of the valve plug.
  • the valve plugs engage positively in the corresponding openings of the valve plate. By the positive engagement of the valve plug in the openings a reliable seal of the gas channel is ensured.
  • cylinder pressure build-up assists in sealing.
  • valve plate may in this case be formed in one or more parts.
  • a circular valve plate can be made up of several, e.g. be constructed four circular segment valve plate elements.
  • the individual valve plate elements can be controlled independently of each other and thus moved axially.
  • the valve stoppers associated with each of the openings made in the valve plate elements remain rigidly connected to the cylinder head and, unlike the valve plate elements, are not axially movable.
  • the gas channel has a circumferential valve seat ring for receiving the valve plate.
  • This valve seat ring is incorporated here in the cylinder head.
  • the valve plug has a circumferential valve seat ring for engaging the aperture in the valve plate.
  • This circumferential valve seat ring is fixedly connected to the valve plug and not displaceable relative to the valve plug.
  • the valve plate has in its edge region a circumferential seat armor to seal against the valve seat ring of the gas channel.
  • the valve plate also has in the edge region of the opening a circumferential seat armor for receiving the valve plug and for sealing against the valve seat ring of the valve plug.
  • the gas channel is thus completely sealable. The sealing of the gas channel is thus carried out not via the movement of a poppet valve, but via the movement of a valve plate with openings, wherein the valve plate terminates against the gas channel and via the openings against the fixed valve plug.
  • the new cylinder head makes it possible to improve the gas guidance on the one hand from the gas duct into a combustion chamber of a combustion cylinder adjoining the cylinder head and on the other hand from a combustion chamber. out into the gas duct.
  • the gas channel is open and when gas flows from the cylinder head into a combustion chamber, the gas can flow directly and shorter way into the combustion chamber, without the gas must flow around the valve stem or the valve head, which can lead to flow losses.
  • the gas flows from the gas passage in the cylinder head directly through the one or more openings in the valve plate in the combustion chamber.
  • the circular openings allow a flow through without significant flow loss.
  • the gas flows from the gas channel through an annular gap surface between the opening in the valve plate and the valve plate of the valve plug into a combustion chamber which can be connected to the cylinder head.
  • This annular gap area can be increased by increasing the number of openings and thus the number of valve stoppers. It is e.g. possible in the valve plate 2, 3, 4, 5 openings and in the gas channel according to 2, 3, 4 or 5 valve plugs provide. Of course, it is also possible to provide more than 5 openings in the valve plate or 5 valve plugs in the gas channel.
  • the gas can be discharged directly into the gas channel, whereby only small flow losses occur.
  • the gas flows through the openings in the valve plate directly into the gas channel of the cylinder head without having to flow around the valve head or the valve stem, which could result in flow losses.
  • valve stoppers are connected to a cooling device.
  • the valve stoppers can be connected via a cooling channel directly to a water cooling in the cylinder head.
  • the water-cooled valve stoppers can thus cyclically dissipate heat from the valve plates via their valve seat.
  • the valve plates may be hollow and, for example, filled with sodium. This makes it possible that the heat is distributed evenly over the valve plate by the oscillating movement of the valve plate during operation of the cylinder head.
  • a cylinder head with a single gas passage e.g. for a two-stroke process
  • a cylinder head with at least one gas inlet duct and at least one exhaust gas outlet duct e.g. for a four-stroke process or a two-cycle process with reverse purge.
  • the cylinder head has at least one gas inlet channel and at least one exhaust gas outlet channel. At least one inlet valve plug is present in the gas inlet channel and at least one outlet valve plug is present in the exhaust gas outlet channel.
  • the at least one gas inlet channel is a first valve plate and the at least one exhaust gas outlet channel is associated with a second valve plate.
  • the first valve plate te assigned to all gas inlet ducts and associated with several exhaust gas outlet channels, the second valve plate all Abgasauslasskanälen.
  • the first valve plate has apertures corresponding to the inlet valve plugs of the one or more gas inlet channels.
  • the second valve plate has openings which correspond to the exhaust valve plugs of the one or more exhaust gas outlet channels.
  • the gas entering or flowing out of a combustion cylinder attachable to the cylinder head flows through one or more openings in a valve plate.
  • the gas flows through an annular gap surface, which is defined by the dimension of the aperture and the valve lift, ie the deflection of the valve plate.
  • An advantage of the invention is that the number of openings in the valve plate and thus the number of valve stoppers in the gas channel can be chosen almost arbitrarily. It is also possible to choose the geometry (opening cross-section) of the openings in the valve plate as desired. In addition, perforations with different geometries can be used in a valve plate. This results in a turbulent flow of charge through the valve plate. Thus, the charge of the combustion cylinder with the air-fuel mixture and thus the combustion can be positively influenced.
  • Another advantage is that with the use of multi-aperture valve plates, a smaller valve lift is required than with conventional movable valves to produce a same annular gap area.
  • the effective annular gap area for a prior art cylinder with two inlet valves is contrasted with an effective annular gap area of 12 openings in a valve plate at the same valve lift. It is assumed that the cross-sections of the two intake valves or the cross-sections of the 12 openings on the half of the transverse Section of a combustion cylinder with a diameter of 62 mm are evenly distributed.
  • a diameter of 7 mm is assumed for an opening. This results in a valve lift, ie a deflection of the valve plate by 10 mm, an effective annular gap area of 2.20 cm 2 . With 12 openings, this gives a total effective annular gap area of 26.4 cm 2 . It can be seen that a larger effective annular gap area can be provided by the increased number of openings in the valve plate.
  • valve stoppers considerably increases the effective annular gap area between the combustion chamber and the gas channel compared with conventional 2, 4 or 5 valve heads.
  • more air (gas mixture) can be sucked into the combustion cylinder (or be pressed in turbocharged engines).
  • the gas mixture does not have to flow around a valve, but passes directly through the openings in the valve plate into the combustion cylinder. As it flows into the combustion chamber, the gas mixture forms a number of jet columns which can enter the combustion chamber over a larger area and more directly away from conventional valves.
  • a four-stroke internal combustion engine comprising a housing having at least one combustion cylinder and a cylinder head.
  • the cylinder head is attached to the housing and covers at least one combustion cylinder of the four-stroke internal combustion engine.
  • the cylinder head has at least one gas inlet channel and at least one gas outlet channel, wherein the gas inlet channel and the gas outlet channel are assigned to at least one respective combustion cylinder.
  • the gas inlet channel has at least one inlet valve and the exhaust gas outlet channel has at least one outlet valve.
  • the four-stroke internal combustion engine is characterized in that the at least one intake valve and the at least one exhaust valve are each rigidly connected to the cylinder head intake valve stoppers and exhaust valve stoppers. Further, a first semicircular valve plate and a second semicircular valve plate are provided, which are each movably mounted on the cylinder head and slidably disposed in the combustion cylinder. The first valve plate is the gas inlet channel and the second valve plate is associated with the gas outlet channel. Both valve plates have openings corresponding to the intake valve stoppers and the exhaust valve stoppers, respectively.
  • the fixed valve stoppers and the variable valve-lift deflectable valve plates bring about an improvement in the gas exchange through a cylinder head in an internal combustion engine by reducing the filling losses of the intake air on the way to the combustion cylinder and reducing the exhaust gas exhaust flow loss.
  • the fixed valve stoppers and variable valve lift deflectable valve plates provide improved combustion cylinder filling, which is critical for greater torque as well as a higher power in an internal combustion engine.
  • the gas exchange losses by reducing the gas exchange losses, they achieve higher efficiency and thus lower consumption in comparable engines with moving valves and missing valve plate.
  • the first valve plate In the intake stroke, the first valve plate is opened and the second valve plate is closed. This means that the second valve plate seals the combustion chamber from the gas outlet channel.
  • the first valve plate is closed by a predetermined valve stroke moves. The movement takes place into the combustion chamber. Gas, in particular air or an air-fuel mixture flows from the gas inlet channel through the openings released by fixed valve stoppers (openings) in the first valve plate in the combustion chamber.
  • the first valve plate In the compression stroke, the first valve plate is closed. This means that the first valve plate seals the combustion chamber from the gas inlet channel. The second valve plate remains closed.
  • the first and second valve plate remain closed. Due to the increasing pressure in the combustion chamber, the first and second valve plate are pressed against the valve seat in the cylinder head and against the valve seats of the fixed valve plug. In particular, the first valve plate is pressed against the valve seat running on the cylinder head at the gas inlet channel and the second at the valve head running on the cylinder head on the exhaust gas outlet channel. In each case, the seat armor in the edge regions of the openings of the two valve plates are pressed against the valve seats of the respective corresponding valve plug.
  • the second valve plate In the exhaust stroke, the second valve plate is moved by a predetermined valve lift. The movement takes place into the combustion chamber. Thereby, the apertures in the second valve plate are released from fixed valve stoppers in the exhaust gas outlet passage and the exhaust gas in the combustion cylinder can be ejected.
  • the first valve plate remains closed. This ensures that the exhaust gas is exclusively conducted into the exhaust gas outlet channel.
  • the closing of a valve plate means below that the valve plate seals the combustion chamber of the respective gas channel by the valve plate is pressed against the valve seat on the cylinder head and against the valve seat on the valve stoppers.
  • the valve plate thus also serves as a sealing plate.
  • the first and second seal plates may be slightly open towards the end of the exhaust stroke, ie when the piston is traveling around top dead center.
  • the above-mentioned versions for the four-stroke internal combustion engine apply analogously to a two-stroke internal combustion engine with reverse purge.
  • the piston in the purging phase, ie the piston is located around the bottom dead center, both valve plates are open, ie the gas inlet channel and the exhaust gas outlet channel are open.
  • both valve plates are closed, ie the gas channels are sealed.
  • Another aspect of the invention is a two-stroke internal combustion engine comprising a housing having at least one combustion cylinder and a cylinder head.
  • the cylinder head is attached to the housing and covers at least one combustion cylinder of the two-stroke internal combustion engine.
  • the cylinder head has at least one gas inlet channel, wherein the gas inlet channel is associated with at least one respective combustion cylinder.
  • the gas inlet channel has at least one inlet valve.
  • each combustion cylinder is connected to a gas inlet channel of the cylinder head and the gas inlet channel has at least one valve.
  • the two-stroke internal combustion engine is characterized in that the at least one inlet valve is an inlet valve plug rigidly connected to the cylinder head. Further, a circular valve plate is provided, which is movably mounted on the cylinder head and slidably disposed in the combustion cylinder. The valve plate is assigned to the gas inlet channel. The valve plate has openings which correspond to the inlet valve plugs.
  • the exhaust gas is ideally applied in the lower region of the combustion cylinder in a two-stroke internal combustion engine with direct and large-area DC purge.
  • the exhaust gas is usually discharged in the upper portion of the combustion cylinder, as opposed to the large-area blower in the lower portion of the combustion cylinder.
  • the fixed valve stoppers and the movable valve plates which can be deflected by one valve lift, ensure an ideal combustion chamber when the valve plates are closed.
  • Another advantage of the invention is that the type of pistons used in the internal combustion engines is not affected, e.g. in a diesel engine, a piston with combustion bowl be used.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through a combustion cylinder of an internal combustion engine with a cylinder head in a first and second position according to the prior art
  • FIG. 2 shows a schematic cross section through a combustion cylinder of an internal combustion engine with a cylinder head with a valve plate in a first and second position according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic cross section through a combustion cylinder of an internal combustion engine with a cylinder head with a valve in a third position according to the invention
  • Fig. 4 is a schematic cross section through a cylinder head with two valves according to the invention
  • Fig. 5 is a schematic representation of a first and second valve plate in a combustion cylinder in plan view.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a valve plate divided into four valve plate segments in a combustion cylinder in a first state
  • 7 shows a schematic illustration of a valve plate divided into four valve plate segments in a combustion cylinder in a second state
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through a combustion cylinder of an internal combustion engine 1 with cylinder head 2 according to the prior art.
  • the valve 7 is closed, e.g. during the working stroke of the internal combustion engine 1.
  • the valve 7 is opened, e.g. during the intake stroke of the internal combustion engine. 1
  • FIG. 1 shows an internal combustion engine 1 with a housing 3 with a combustion cylinder 4 and with a cylinder head 2.
  • the wall of the combustion cylinder 4 is cooled by methods known from the prior art.
  • a cylinder head 2 is mounted, which covers the combustion cylinder 4.
  • a valve 7 in particular a poppet valve with a valve stem and a valve head is arranged.
  • This poppet valve 7 is movably mounted in the cylinder head 2 and connected to a valve control.
  • the storage of the poppet valve and the valve control are not shown for reasons of clarity.
  • a cylinder head gasket 19 is executed between the combustion cylinder 4 and the cylinder head 2.
  • an axially movable executed reciprocating piston 6 is shown, which includes a combustion chamber 5 in the combustion cylinder 4 together with the cylinder head 2. Spark plugs or injectors are not shown for reasons of clarity. A person skilled in the corresponding positioning are known.
  • the upper illustration in FIG. 1 shows a closed valve 7.
  • the valve 7 is seated on a circumferential valve seat 14 which is embodied in the cylinder head 2.
  • the valve 7 seals the combustion chamber 5 from the gas channel 11.
  • the reciprocating piston 6 moves in the intake stroke of the engine 1 downwards (arrow), whereby a negative pressure in the combustion chamber 5 is formed.
  • the valve 7 is opened by means of a valve control (not shown) which acts on the valve stem 7a via a towing or rocker arm (not shown).
  • the valve 7 is thus directed by a valve 20 in the combustion chamber 5.
  • the inflowing air or the incoming air-fuel mixture flows through the gas channel 11 into the combustion chamber 5.
  • Fig. 2 shows an internal combustion engine with a housing with a combustion cylinder and with a cylinder head with a valve plate in a first (compression) and second position (intake stroke) according to the invention.
  • Fig. 2 with matching in Fig. 1 components are identified by the same reference numerals.
  • FIG. 2 shows, by way of example for reasons of clarity, a cylinder head 2 with a valve plug 7 and a valve plate 9 with an opening 13.
  • the valve plate 9 is displaceable axially to the valve stem 7 a of the valve plug 7 by a predeterminable valve lift 20.
  • the valve plate 9 is in this case connected to a valve control (not shown).
  • brackets 18 are provided, which are attached to the cylinder head side upper side of the valve plate 9 and guided substantially perpendicular to the surface of the valve plate or parallel to the valve stem 7a of the valve plug 7 extending into the cylinder head 2 and are attached and stored there (not shown).
  • These brackets 18 may be, for example, shaft pieces, as known in the art in shaft pieces with movable valves.
  • the holder 18 is guided through the gas channel 11.
  • the holder 18 is driven, for example, by a cam via a camshaft, which leads to a deflection of the valve plate 9.
  • valve plate 9 by way of example in the compression or power stroke of a four-stroke internal combustion engine 1, wherein the valve plate 9, the combustion chamber 5 of the combustion cylinder 4 and the gas channel 11, 12 seals.
  • the gas channel may in this case be the inlet gas channel 11 or the exhaust gas outlet channel 12.
  • the valve plate 9 is seated on a circumferential valve seat 14 which is mounted on the cylinder head 2, in particular on the gas channel 11, 12 and at the same time on a circumferential valve seat 15 which is attached to the valve plug 7.
  • the valve seat 14, 15 may be valve seat rings.
  • valve plate 9 On the valve plate 9 corresponding seat armor 16, 17 are provided in the region of the circumference of the valve plate 9 and in the region of the circumference of the openings 13, which engage in the valve seats 14, 15 and thus ensure a reliable seal between the combustion chamber 5 and gas channel 11, 12.
  • a valve seat valve seat ring
  • the circumference of the valve plate 9 and the circumference of the opening 13 with a valve seat is performed and the corresponding engaging portions of the valve plug 7 and the gas channel 11, 12 with a valve seat armor.
  • the reciprocating piston 6 moves in the intake stroke of the engine down (arrow), whereby a negative pressure in the combustion chamber 5 is formed.
  • the valve plate 9 is moved in the direction of the combustion chamber 5 by a valve lift 20 by means of a valve control (not shown).
  • the openings 13 in the valve plate 9 are released.
  • the incoming air or the incoming air-fuel mixture flows through the gas inlet channel 11 into the combustion chamber 5.
  • the gas must not flow around the valve plug 7 in the combustion chamber 5, but occurs directly through the openings 13 in the valve plate 9 in the combustion chamber 5 a.
  • the gas flows through (arrows) through the annular gap surface 10 between valve plug 7 and valve plate 9 without significant flow resistance as a jet column through the circular openings 13 in the valve plate 9.
  • no dead space arises in the combustion chamber 5 8.
  • annular gap surface 10 is formed in the arrangement according to the invention outside of the combustion chamber 5, since the valve plate 9 is a separation between the combustion chamber 5 and the gas channel 11, 12.
  • FIG. 2 shows, as already described, the intake side of a cylinder head 2.
  • the valve plate 9 In the open state, i. when the exhaust gases are expelled, the valve plate 9 is pressed into the combustion chamber 5 and the exhaust gases pass through the many openings 13 in the valve plate 9.
  • the exhaust gas emission is further facilitated by the fact that the exhaust gas from the combustion chamber 5 in the direction of the exhaust gas outlet channel 12 travels a shorter and thus direct path.
  • the annular gap surface 10 through which the exhaust gases must flow is also located here on the cylinder head side in the outlet region of the exhaust gas outlet channel 12 and not completely in the combustion chamber 5, as is usually the case in the prior art.
  • a multiplicity of apertures 13 also permit a considerable enlargement of the annular gap surface 10.
  • Fig. 3 shows a schematic cross-sectional view of an internal combustion engine according to FIG. 2 in a further position (exhaust stroke).
  • the reciprocating piston 6 moves upwards (Arrow)
  • the valve plate 9 is open, ie the valve plate 9 is pressed into the combustion chamber 5.
  • the exhaust gases (arrows) flow through the opening 13 in the valve plate 9 and are then passed to the valve plug 7 in the Abgasauslasskanal 12.
  • the exhaust gases do not flow around the valve plug 7 within the combustion chamber 5, but only after flow through the opening 13 in the exhaust gas outlet channel 12.
  • only one opening 13 is shown in FIG.
  • the annular gap area 10 can be increased, so that more gas per unit time can be ejected than is possible with a cylinder head according to the prior art with movable valves.
  • the valve plug 7 is water-cooled.
  • a cooling channel 21, which is connected to a cooling device (not shown), is located within the valve stem 7a and the valve disk 7b.
  • the movable valve plate 9 is held in the cylinder head 2 via a holder 18, as explained in FIG. 2.
  • FIG. 4 shows a schematic cross section through a cylinder head with two fixed valve plugs 7 and a valve plate 9 with correspondingly two openings 13.
  • the two valve plugs 7 are arranged, for example, parallel to one another.
  • the illustration shows that when opening the gas channel 11, 12, ie when moving the valve plate 9 in the combustion chamber 5, for example in the intake stroke, gas on the one hand through the openings 13 and on the other hand at the edge of the valve plate 9 can flow into the combustion chamber 5.
  • the upper side of the valve plate 7, ie the gas channel-facing side of the valve plate to be provided with a masking (not shown). This masking serves to impart a swirl flow to the incoming gas.
  • brackets 18 are provided for holding and storing the valve plate 9 in the cylinder head 2.
  • These brackets 18 may be metal rods, for example, which are attached to the top of the valve plate 9 and a bearing in the cylinder head. 2 (not shown) are connected and driven as described above, for example via a cam of a camshaft. These brackets 18 are for example parallel to each other.
  • Fig. 5 shows in plan view a combustion cylinder with a first and a second valve plate 9a, 9b.
  • the first valve plate 9a and the second valve plate 9b are each formed semicircular and arranged to be movable perpendicular to the plane in the combustion cylinder 4.
  • openings 13 are formed, in which the valve plug 7, which are fixedly mounted on the cylinder head 2, can intervene.
  • each valve plate 9a, 9b has three fastening points 18 to which the holder for the valve plate 9a, 9b is fastened.
  • These brackets are stored in the cylinder head. Such storage may e.g. take place in accordance with a storage of a conventional movable poppet valve.
  • the number of openings 13 of the first valve plate 9a is equal to the number of openings of the second valve plate 9b.
  • the valve plates 9a, 9b have a different number of openings 13.
  • the number of openings of the valve plate which is assigned to the exhaust gas outlet channel may be smaller than the number of openings of the valve plate which is assigned to the inlet gas channel.
  • the suction-side valve plate 9a that is, the valve plate of the gas inlet channel may be made larger than the exhaust-side valve plate 9b.
  • the cross section of the intake-side valve plate 9a with respect to the cylinder cross-section is larger than the cross-section of the exhaust-gas valve plate 9b.
  • the suction-side valve plate 9 a can thus a larger Have cross-section than only half the cylinder cross-section 4 (cylinder bore). This results in further advantages with regard to the respiratory cross section of the intake-side valve plate 9a, whereby the filling of the cylinder 4 can be improved.
  • valve plate 9a, 9b may have different shapes and / or diameters.
  • first valve plate 9a it is possible for the first valve plate 9a to have openings with different diameters than the second valve plate 9b. This makes it possible that better advantage can be taken of the area available per valve plate 9a, 9b, so that the largest possible amount of gas per unit of time can be transported through the valve plate and the annular gap formed with the valve plug.
  • FIG. 6 and Fig. 7 schematically show a combustion cylinder with a valve plate 9, which is divided into four valve plate segments 9a, 9b, 9c, 9d.
  • the rear valve plate segments 9a, 9b arranged in perspective are associated with a gas inlet channel (not shown) and the valve plate segments 9c, 9d arranged in perspective at the front are assigned to a gas outlet channel (not shown) by way of example.
  • FIG. 7 for the sake of clarity, only the rear valve plate segments 9a, 9b shown in FIG. 6 are shown.
  • valve plate segments 9a, 9b, 9c, 9d are shown in Fig. 6 in the closed state, wherein on the inlet side (rear) the valve plugs 7 and on the outlet side (front) of the sake of clarity, no plugs are shown.
  • the exemplary four valve plate segments 9a, 9b, 9c, 9d can be moved perpendicular to the combustion chamber of the combustion cylinder according to the explanations to FIG. 5 via the holder 18.
  • perforations (not shown) are executed, which may be circular or any other shape such as cake-shaped quarter-half with rounded corners as shown in Fig. 6 and Fig. 7.
  • valve plate segments 9a, 9b, 9c, 9d have, as in Fig. 2 corresponding seat armor 16, 17 in the region of the circumference of the valve plate segments 9a, 9b, 9c, 9d and in the region of the circumference of the openings 13 which engage in the valve seats 14, 15.
  • a portion of the circumference of a valve plate segment 9a, 9b, 9c, 9d sits on a portion of a circumferential valve seat 14 of the gas channel which on the cylinder head (not shown) and at the same time on a circumferential valve seat 15 which is attached to the valve plug 7.
  • Fig. 7 shows the two quarter-circle valve plate segments 9a, 9b, which are associated with the gas inlet channel (not shown), in different positions to each other. An inlet valve plate is already open and the second is still closed.
  • valve plate segments 9a, 9b ie the valve plate segments associated with the gas inlet channel.
  • defined partial strokes can be enabled or continuously variable strokes.
  • a freely variable opening duration of the valve plate segments 9a, 9b can be achieved by freely variable opening and closing times.
  • the charge movement can be influenced to improve the mixture formation by eg targeted swirl movements in the gas stream.
  • the volumetric flow rate is lower, and thus the inflow velocity of the fuel-air mixture is less with the geometry of inlet port and valve port area remaining the same.
  • a lower valve lift can increase the inflow velocity of the fuel-air mixture.
  • Inlet valves which are out of phase with each other and or exert different stroke, can significantly increase the swirl motion.
  • variable valve timing allows for better mixture conditioning and more efficient combustion over the entire speed range and all load requirements.
  • the performance and efficiency of the engine can be improved.
  • the control of internal exhaust gas recirculation can reduce pollutant emissions such as nitrogen oxides.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf (2) für einen Verbrennungsmotor (1) umfassend einen Gaskanal (11, 12) mit mindestens einem Ventil (7), wobei das mindestens eine Ventil (7) ein starr mit dem Zylinderkopf (2) verbundener Ventilstöpsel (7) ist und wobei dem Gaskanal (11, 12) eine Ventilplatte (9, 9a, 9b) zugeordnet ist, welche beweglich am Zylinderkopf (2) gelagert ist, wobei die Ventilplatte (9, 9a, 9b) zu dem mindestens einem Ventilstöpsel (7) des Gaskanals (11, 12) eine korrespondierende Durchbrechung (13) aufweist. Die Erfindung betrifft ferner einen Viertakt-Verbrennungsmotor und einen Zweitakt-Verbrennungsmotor mit einem solchen Zylinderkopf.

Description

Zylinderkopf und Verbrennungsmotor
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Zylinderkopf und auf einen Viertakt-Verbrennungsmotor und einen Zweitakt-Verbrennungsmotor mit einem Zylinderkopf.
Herkömmliche Zylinderköpfe für Verbrennungsmotoren mit Viertaktverfahren besitzen auf der Einlass- bzw. Auslassseite jeweils 2, 4 oder 5 Tellerventile. Diese gesteuerten Ventile sind für die zyklisch dosierte Zufuhr von der zu verbrennenden Luft oder des Luft-Kraftstoff Gemischs in den Zylinder sowie den Auslass der Abgase aus dem Zylinder zuständig. Das Einlassventil gibt den Querschnitt des Ansaugkanals zum Brennraum im Zylinder frei und das Auslassventil gibt die Auslasskanäle zum Ausschieben der verbrannten Gase frei. Über den Ventilhub öffnen die Ventile den Weg für die Ansaugluft vom Zylinderkopf zum Brennraum und für die Abgase vom Brennraum in den Auslass vom Zylinderkopf. Die freigegebene Fläche eines jeden Ventils ist somit ein Ringspalt, definiert durch den Umfang vom Querschnitt des freigegebenen Kanals und der Höhe des Ventilhubs. Durch diese von dem Ringspalt freigegebene Ringspaltfläche muss das Gas strömen.
Normalerweise gibt es ein Einlassventil und ein Auslassventil (Zweiventiltechnik), zwei Einlassventile und zwei Auslassventile (Vierventiltechnik) oder drei Einlassventile und zwei Auslassventile (5 - Ventiltechnik). Die Evolution der Mehrventiltechnik zeigt das Bestreben einem Zylinder mehr Luftzufuhr (Luft- Kraftstoffgemisch) zu ermöglichen sowie die Strömungsverluste beim Ausschieben der Abgase zu verringern. Bei gleicher Bohrung (bzw. gleicher verfügbarer Querschnittsfläche für den Gaswechsel im Zylinderkopf über dem Zylinder) und bei gleichem Ventilhub ist dies möglich durch die Vergrößerung der gesamten Ringspaltfläche welche die Ventile freigeben. Eine Optimierung (Vergrößerung) dieser möglichen Ringspaltfläche bedeutet somit eine Mehrzahl an Ventilen welche den begrenzten Raum der Querschnittsfläche eines Zylinders besser ausfüllen. Somit kann der Füllungsgrad eines Zylinders (Luft oder Luft- Kraftstoffmasse die dem Zylinder zugefügt wird im Verhältnis zu der maximal theoretisch möglichen Luft oder Luft- Kraftstoffmasse im Zylinder) erhöht werden und die Leistung eines Zylinders gesteigert werden. Eine Verbesse- rung des Füllungsgrades ist besonders bei schnelllaufenden Motoren gefordert, denn mit zunehmender Drehzahl verringert sich proportional die Zeit in welcher der Gasaustausch stattfinden kann.
Ein Nachteil der herkömmlichen Tellerventile sind die Strömungsverluste die auftreten, weil das Gas den Ventilkopf umströmen muss. Auf der Einlassseite ist das Tellerventil strömungsgünstig gestaltet, aber Ventilschaft und Ventilkopf stehen unweigerlich im Gasstrom (Luft oder Luft- Kraftstoffgemisch) und verursachen somit einen Strömungswiderstand entgegen der Ansaugluft. Dadurch entstehen Strömungsverluste, welche einen höheren Kraftstoffverbrauch verursachen aufgrund eines reduzierten Wirkungsgrads des Motors.
Beim Ausspülen des Restgases im Zylinder, nach dem Abgas - Ausstoß - Takt des Kolbens, konzentrieren sich Gasrückstände im Brennraum hinter dem Einlassventil. Ventilüberschneidung erlaubt der Frischluft (Gasgemisch) das Restgas aus dem Restvolumen im Zylinder zu spülen. Der Kolben befindet sich hierfür um den oberen Totpunkt während Einlass- und Auslassventile gleichzeitig offen sind. Auch hier muss die Frischluft (Gasgemisch) das Einlassventil umspülen und ein Totraum bildet sich hinter dem Ventil. Verlängerte Ventilüberschneidung ermöglicht eine gründlichere Ausspülung vom Restgas, bedeutet aber auch höhere Spülverluste und einen geringeren Wirkungsgrad. Dies wird bei herkömmlichen Ventilen in Kauf genommen um eine bessere Zylinderfüllung und höhere Motorleistung zu erzielen.
Auf der Auslassseite ist das herkömmliche Ventil ein strömungsungünstiges Hindernis. Es formt eine kreisförmige Wand perpendikular zur Strömung. Diese geometrische Anordnung vom Ventil im Strömungsfluss verursacht hohe Strömungsverluste beim Ausschieben des Abgases. Dadurch kommt es zu weiteren Wirkungsgradverlusten des Motors.
Bei Motoren betrieben mit moderner Benzindirekteinspritzung kann es zudem zu einer Verkokung von Einlassventilen durch Probleme der Gemisch- Aufbereitung kommen. Bei manchen Betriebspunkten, wenn das Luft- Kraftstoff Verhältnis nicht genau stimmt, kann es zu lokalem Sauerstoffmangel und dadurch zu Rußbildung kommen. Eine Ablagerung von Ruß auf dem Kopf und Schaft von Einlassventilen beeinträchtigt die Frischgaszufuhr durch eine Minderung der verfügbaren Ringspaltfläche. Diese Ablagerung auf den Ventilen ist möglich, weil die Ventile in den Brennraum ragen während die Luft einströmt und Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird oder auch weil die Ventile bei der Restgas Ausspülung von Restgasen umströmt werden. Solche Ablagerungen auf den Ventilen beeinträchtigen die Leistung und den Verbrauch eines Motors. Schlimmer noch, sie beeinträchtigen die Dichtwirkung der Ventile. In manchen Fällen kann es zu Bränden und Motorschäden führen.
Aus US 5,671 ,704 A ist ein Zylinderkopf mit einem starr mit dem Zylinderkopf verbundenen Ventil und einer beweglich am Zylinderkopf gelagerten Ventilplatte bekannt. Weitere Beispiele für Ventilplatte und starr mit dem Zylinderkopf verbundenen Ventilen sind aus EP 0 935 062 A2, WO 2012 118757 A1 und DE 694 11 391 T2 bekannt. Beispiele für einen Zylinderkopf für eine Zweitaktbrennkraftmaschine sind aus WO 2012 149915 A2 und FR 2 745 328 A1 bekannt. Aus DE 44 35 899 A1 ist bekannt, Ventile am Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors mit jeweils mindestens einer Einlaß- und Auslaß-Öffnung im Zylinderkopf derart anzuordnen, dass die Öffnungen mit einem einzigen gemeinsamen Ventil und jede einzelne Öffnung zusätzlich jeweils mit einer ventilähnlichen Scheibe überdeckt sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Zylinderkopf anzugeben, bei welchem die Umströmung der Ventile verbessert wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Verbrennungsmotor mit einem verbesserten Gaswechsel anzugeben.
Diese Aufgaben werden mit dem Zylinderkopf gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie mit den Verbrennungsmotoren gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 8 und 9 gelöst.
Die Erfindung geht in einem ersten Aspekt von einem Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor aus, welcher einen Gaskanal mit mindestens einem dem Gaskanal zugeordneten Ventil umfasst. Insbesondere handelt es sich bei diesem Gaskanal um einen Gaskanal, welcher die Funktion eines Einlass- und Auslasskanal aufweist. Es wird vorgeschlagen, dass das mindestens eine Ventil ein starr mit dem Zylinderkopf verbundener Ventilstöpsel ist. Ferner ist dem Gaskanal eine Ventilplatte zugeordnet. Diese Ventilplatte ist beweglich am Zylinderkopf gelagert. Ferner weist die Ventilplatte Durchbrechungen auf, welche mit dem mindestens einen Ventilstöpsel des Gaskanals korrespondieren.
In einem zweiten Aspekt geht die Erfindung von einem Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor umfassend einen Gaseinlasskanal mit mindestens einem Einlassventil und einen Gasauslasskanal mit mindestens einem Auslassventil aus. Es wird vorgeschlagen, dass das mindestens eine Einlassventil und das mindestens eine Auslassventil starr mit dem Zylinderkopf verbundene Einlassventilstöpsel und Auslassventilstöpsel sind und dass dem Gaseinlasskanal eine erste Ventilplatte und dem Abgasauslasskanal eine zweite Ventilplatte zugeordnet ist, welche beweglich am Zylinderkopf gelagert sind, wobei die erste Ventilplatte zu dem mindestens einen Einlassventilstöpsel des Gaseinlasskanals eine korrespondierende Durchbrechung und die zweite Ventilplatte zu dem mindestens einen Auslassventilstöpsel des Abgasauslasskanals eine korrespondierende Durchbrechung aufweist.
Die erste und zweite Ventilplatte sind jeweils unabhängig voneinander am Zylinderkopf gelagert. Beispielsweise ist eine Ventilplatte mit einem mit dem Zylinderkopf verbindbaren Ventiltrieb verbunden. Es können alle aus dem Stand der Technik bekannten Ventiltriebe verwendet werden, insbesondere mechanisch gesteuerte Nocken mit Übertragungselementen wie Schlepphebel, Schwinghebel oder Kipphebel. Der Ventiltrieb kann aber auch hydraulisch, pneumatisch oder elektromagnetisch gesteuert werden. Alle Arten von bekannten variablem Ventiltrieb, welche auch Tellerventile antreiben, können mit leichten konstruktiven Änderungen und Anpassungen verwendet werden.
Durch die erste und zweite Ventilplatte werden der Gaseinlasskanal und der Abgasauslasskanal voneinander getrennt.
Die Durchbrechungen in einer Ventilplatte sind beispielsweise kreisförmig, oval, halbkreisförmig, rechteckig oder als Kombination daraus ausgebildet. Insbesondere können die Durchbrechungen eine beliebige Öffnungsform aufweisen. Für den Fall, dass in einer Ventilplatte mehrere Durchbrechungen ausgebildet sind, können die Durchbrechungen unterschiedliche Formen aufweisen und/oder die Querschnittsflächen der Durchbrechungen können unterschiedlich sein. Insbesondere können Durchbrechungen in Gruppen angeordnet sein, d.h. unterschiedliche Gruppen von Durchbrechungen weisen jeweils Durchbrechungen mit unterschiedlichen Formen und/oder unterschiedlichen Querschnittsflächen auf.
Mit anderen Worten, bei mehreren Durchbrechungen in einer Ventilplatte können die einzelnen Durchbrechungen unterschiedliche Durchmesser bei jeweils gleicher Öffnungsform aufweisen. Es ist aber auch möglich, dass die einzelnen Durchbrechungen unterschiedliche Öffnungsformen aufweisen, d.h. eine erste Gruppe von Durchbrechungen weist eine kreisförmige Öffnung auf und eine zweite Gruppe weist eine rechteckige Öffnung auf.
Ein Gaskanal in einem Zylinderkopf, z.B. der Einlasskanal oder der Auslasskanal weist, entsprechend den aus dem Stand der Technik bekannten Zylinderköpfen, mindestens ein Ventil auf. Dieses Ventil in einem Gaskanal ist im Gegensatz zum Stand der Technik nicht beweglich am Zylinderkopf gelagert, sondern es ist in der vorliegenden Erfindung starr mit dem Zylinderkopf verbunden. Das Ventil wird im Weiteren somit als Ventilstöpsel bezeichnet. Ein Ventilstöpsel ist dabei entweder dem Einlasskanal oder dem Auslasskanal zugeordnet.
Der Ventilstöpsel kann zum Beispiel an den Zylinderkopf angeformt sein. Es ist aber auch möglich, dass der Ventilstöpsel in den Zylinderkopf geschraubt ist oder an den Zylinderkopf geschweisst ist. Der Ventilstöpsel besteht im Wesentlichen aus einem Ventilschaft und einem Ventilteller, wobei der Ventilschaft an den Zylinderkopf angebracht ist und zwar derart, dass der Ventilstöpsel unbeweglich ist, d.h. der Ventilstöpsel kann im Gegensatz zum Stand der Technik keine Bewegung axial zum Ventilschaft ausführen.
Dem Gaskanal, z.B. dem Einlasskanal oder dem Abgasauslasskanal ist eine Ventilplatte zugeordnet. Die Ventilplatte ist z.B. senkrecht zur Achse des Ventilschafts des Ventilstöpsels ausgerichtet. Diese Ventilplatte ist beweglich am Zylinderkopf gelagert. Die Ventilplatte weist eine oder mehrere Durchbrechungen auf. Diese Durchbrechungen korrespondieren mit den Ventilstöpseln des Gaskanals. Mit anderen Worten, jedem Ventilstöpsel des Gaskanals ist genau eine Durchbrechung in der Ventilplatte zugeordnet. Eine Durchbrechung dient der Durchleitung von Gas in den Gaskanal oder aus dem Gaskanal heraus. Diese Ventilplatte dient dazu, den Gaskanal abzuschließen bzw. zu öffnen. Beim Schließen des Gaskanals wird die Ventilplatte in Richtung der Ventilstöpsel bewegt. Die Ventilstöpsel greifen dabei formschlüssig in die entsprechenden Durchbrechungen der Ventilplatte ein. Durch das formschlüssige Eingreifen der Ventilstöpsel in die Durchbrechungen wird eine zuverlässige Abdichtung des Gaskanals gewährleistet. Wie bei jedem herkömmlichen Verbrennungsmotor mit beweglichen Tellerventilen unterstützt der Druckaufbau im Zylinder die Abdichtung.
Die Ventilplatte kann hierbei einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. So kann eine kreisrunde Ventilplatte aus mehreren, z.B. vier kreissegmentförmigen Ventilplattenelementen aufgebaut sein. Die einzelnen Ventilplattenelemente können hierbei unabhängig voneinander angesteuert und damit axial bewegt werden. Selbstverständlich bleiben die jeweils den in den Ventilplattenelementen ausgeführten Durchbrechungen zugeordneten Ventilstöpseln starr mit dem Zylinderkopf verbunden und sind im Gegensatz zu den Ventilplattenelementen nicht axial beweglich.
In einer Ausführungsform weist der Gaskanal einen umlaufenden Ventilsitzring zur Aufnahme der Ventilplatte auf. Dieser Ventilsitzring ist hierbei in den Zylinderkopf eingearbeitet. Der Ventilstöpsel weist einen umlaufenden Ventilsitzring zum Eingriff in die Durchbrechung in der Ventilplatte auf. Dieser umlaufende Ventilsitzring ist fest mit dem Ventilstöpsel verbunden und nicht relativ zu dem Ventilstöpsel verschiebbar. Die Ventilplatte weist in ihrem Randbereich eine umlaufende Sitzpanzerung auf zur Abdichtung gegen den Ventilsitzring des Gaskanals. Die Ventilplatte weist ferner im Randbereich der Durchbrechung eine umlaufende Sitzpanzerung auf zur Aufnahme des Ventilstöpsels und zur Abdichtung gegen den Ventilsitzring des Ventilstöpsels. Der Gaskanal ist somit vollständig abdichtbar. Die Abdichtung des Gaskanals erfolgt somit nicht über die Bewegung eines Tellerventils, sondern über die Bewegung einer Ventilplatte mit Durchbrechungen, wobei die Ventilplatte gegen den Gaskanal und über die Durchbrechungen gegen die feststehenden Ventilstöpsel abschließt.
Der neue Zylinderkopf ermöglicht eine Verbesserung der Gasführung einerseits aus dem Gaskanal heraus in einen an den Zylinderkopf angrenzenden Verbrennungsraum eines Verbrennungszylinders und andererseits aus einem Verbren- nungsraum heraus in den Gaskanal hinein. Bei geöffnetem Gaskanal und wenn Gas aus dem Zylinderkopf in einen Verbrennungsraum einströmt, kann das Gas auf direktem und kürzerem Weg in den Verbrennungsraum einströmen, ohne dass das Gas dabei den Ventilschaft oder den Ventilkopf umströmen muss, wodurch es zu Strömungsverlusten kommen kann. In diesem Fall strömt das Gas aus dem Gaskanal im Zylinderkopf direkt durch die ein oder mehreren Durchbrechungen in der Ventilplatte in den Verbrennungsraum. Die kreisförmigen Durchbrechungen ermöglichen ein Durchströmen ohne wesentlichen Strömungsverlust.
Mit anderen Worten, das Gas strömt hierbei aus dem Gaskanal durch eine Ringspaltfläche zwischen der Durchbrechung in der Ventilplatte und dem Ventilteller des Ventilstöpsels in einen mit dem Zylinderkopf verbindbaren Verbrennungsraum. Diese Ringspaltfläche kann dadurch vergrößert werden, dass die Zahl der Durchbrechungen und damit die Zahl der Ventilstöpsel vergrößert wird. Es ist z.B. möglich in der Ventilplatte 2, 3, 4, 5 Durchbrechungen und im Gaskanal entsprechend 2, 3, 4 oder 5 Ventilstöpsel vorzusehen. Es ist aber selbstverständlich auch möglich, mehr als 5 Durchbrechungen in der Ventilplatte bzw. 5 Ventilstöpsel im Gaskanal vorzusehen.
Durch die Erhöhung der Anzahl an Durchbrechungen und Ventilstöpseln wird somit im Gegensatz zum Stand der Technik bei gleichem Hub der Ventilplatte ein Überangebot an effektiver Ringspaltfläche geschaffen. Dadurch wird gegenüber herkömmlichen Zylinderköpfen mit beweglichen Tellerventilen bei gleichem Hub der Ventilplatte ein größerer Atmungsquerschnitt bis zur Dichtplatte gewährleistet. Das Luft- Gasgemisch - Angebot vor Eintritt in den Verbrennungszylinder ist somit effektiv größer und besser verteilt. Die Drosselung dieses Luftangebots durch die kreisförmigen Bohrungen der Dichtplatte erzeugt im Ansaugtakt eine sehr schnelle Ladebewegung. Die durch die Druckdifferenz generierten Jet- Säulen strömen mit sehr hoher Geschwindigkeit auf kürzestem Weg verteilt über die gesamte Fläche der Ventilplatte in den Verbrennungsraum. Höhere Einströmgeschwindigkeit bedeutet eine turbulentere Ladung, eine bessere Mischung vom Luft- Kraftstoff Gemisch und eine schnellere und gründlichere Verbrennung. Auch bei geöffnetem Gaskanal und wenn Gas aus dem Verbrennungsraum in den Gaskanal gedrückt wird, kann das Gas direkt in den Gaskanal abgeleitet werden, wobei es nur zu geringen Strömungsverlusten kommt. Beim Ableiten des Gases strömt das Gas durch die Öffnungen in der Ventilplatte direkt in den Gaskanal des Zylinderkopfes ohne den Ventilkopf oder den Ventilschaft umströmen zu müssen, wodurch Strömungsverluste entstehen könnten.
Ablagerungen auf den Ventiloberflächen wie bei einem Tellerventil sind auf Grund der Konstruktion, geometrischen Anordnung und Anströmung bei den feststehenden Ventilstöpseln mit beweglicher Ventilplatte nicht möglich. Die Bohrungen in der Ventilplatte, durch welche das Gasgemisch strömt, lassen keine Ablagerungen auf der Dichtfläche zu.
In einer Ausführungsform sind die Ventilstöpsel mit einer Kühleinrichtung verbunden. Zum Beispiel können die Ventilstöpsel über einen Kühlkanal direkt mit einer Wasserkühlung im Zylinderkopf verbunden sein. Die wassergekühlten Ventilstöpsel können somit über ihren Ventilsitz zyklisch Wärme von den Ventilplatten abführen. In einer weiteren Ausführungsform können die Ventilplatten hohl ausgeführt sein und beispielsweise mit Natrium gefüllt sein. Dadurch ist es möglich, dass durch die oszillierende Bewegung der Ventilplatte beim Betrieb des Zylinderkopfes die Wärme gleichmäßig über die Ventilplatte verteilt wird.
Die oben dargestellten Ausführungen für einen Zylinderkopf mit einem einzigen Gaskanal, z.B. für ein Zweitaktverfahren, gelten selbstverständlich auch für einen Zylinderkopf mit mindestens einem Gaseinlasskanal und mindestens einem Abgasauslasskanal, z.B. für ein Viertaktverfahren oder ein Zweitaktverfahren mit Umkehrspülung.
In einer Ausführungsform weist der Zylinderkopf mindestens einen Gaseinlasskanal und mindestens einen Abgasauslasskanal auf. Im Gaseinlasskanal sind mindestens ein Einlassventilstöpsel und im Abgasauslasskanal mindestens ein Auslassventilstöpsel vorhanden. Dem mindestens einen Gaseinlasskanal ist eine erste Ventilplatte und dem mindestens einen Abgasauslasskanal ist eine zweite Ventilplatte zugeordnet. Insbesondere ist bei mehreren Gaseinlasskanälen die erste Ventilplat- te allen Gaseinlasskanälen zugeordnet und bei mehreren Abgasauslasskanälen die zweite Ventilplatte allen Abgasauslasskanälen zugeordnet.
Die erste Ventilplatte weist Durchbrechungen auf, welche zu den Einlassventilstöpseln der ein oder mehreren Gaseinlasskanälen korrespondieren. Die zweite Ventilplatte weist Durchbrechungen auf, welche zu den Auslassventilstöpseln der ein oder mehreren Abgasauslasskanälen korrespondieren.
Wie bereits oben erläutert, strömt das in einen an den Zylinderkopf anbringbaren Verbrennungszylinder einströmende oder herausströmende Gas durch ein oder mehrere Durchbrechungen in einer Ventilplatte. Insbesondere strömt das Gas durch eine Ringspaltfläche, welche durch die Abmessung der Durchbrechung und den Ventilhub, also die Auslenkung der Ventilplatte definiert ist. Je größer die Ringspaltfläche, umso mehr Gas kann pro Zeiteinheit durch die Ringspaltfläche strömen.
Ein Vorteil der Erfindung ist, dass die Zahl der Durchbrechungen in der Ventilplatte und damit die Zahl der Ventilstöpsel im Gaskanal nahezu beliebig gewählt werden kann. Außerdem ist es möglich die Geometrie (Öffnungsquerschnitt) der Durchbrechungen in der Ventilplatte beliebig zu wählen. Darüber hinaus können in einer Ventilplatte Durchbrechungen mit unterschiedlichen Geometrien verwendet werden. Dadurch kommt es zu einer turbulenten Ladungsströmung durch die Ventilplatte. Damit kann die Ladung des Verbrennungszylinders mit dem Luft- Kraftstoffgemisch und damit die Verbrennung positiv beeinflusst werden.
Ein weiterer Vorteil ist, dass mit der Verwendung von Ventilplatten mit mehreren Durchbrechungen ein geringerer Ventilhub als bei herkömmlichen beweglichen Ventilen nötig ist, um eine gleiche Ringspaltfläche zu erzeugen.
In der nachfolgenden Berechnung wird die effektive Ringspaltfläche für einen Zylinder mit zwei Einlassventilen gemäß dem Stand der Technik einer effektiven Ringspaltfläche von 12 Durchbrechungen in einer Ventilplatte bei gleichem Ventilhub gegenübergestellt. Hierbei wird vorausgesetzt, dass die Querschnitte der zwei Einlassventile bzw. die Querschnitte der 12 Durchbrechungen auf der Hälfte des Quer- Schnitts eines Verbrennungszylinders mit einem Durchmesser von 62 mm gleichmäßig verteilt sind.
Bei einem Einlassventil gemäß dem Stand der Technik wird ein Durchmesser des Ventiltellers von 20 mm angenommen. Hieraus ergibt sich bei einem Ventilhub von 10 mm eine effektive Ringspaltfläche von 6,28 cm2 pro Einlassventil. Für zwei Einlassventile ergibt sich somit eine effektive Ringspaltfläche von 12,54 cm2.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird für eine Durchbrechung ein Durchmesser von 7 mm angenommen. Hieraus ergibt sich bei einem Ventilhub, also einer Auslenkung der Ventilplatte um 10 mm eine effektive Ringspaltfläche von 2,20 cm2. Bei 12 Durchbrechungen ergibt dies eine gesamte effektive Ringspaltfläche von 26,4 cm2. Es ist zu erkennen, dass durch die erhöhte Zahl von Durchbrechungen in der Ventilplatte eine größere effektive Ringspaltfläche zur Verfügung gestellt werden kann.
Eine Vielzahl von Ventilstöpseln vergrößert die effektive Ringspaltfläche zwischen Brennraum und Gaskanal gegenüber herkömmlichen 2, 4 oder 5 Ventilköpfen erheblich. Somit kann bei gleicher Zylinderbohrung mehr Luft (Gasgemisch) in den Verbrennungszylinder gesaugt werden (oder gedrückt werden bei aufgeladenen Motoren). Weiterhin muss das Gasgemisch kein Ventil umspülen, sondern gelangt auf direktem Weg durch die Durchbrechungen in der Ventilplatte in den Verbrennungszylinder. Das Gasgemisch bildet beim Einströmen in den Brennraum eine Anzahl von Jet Säulen die über eine größere Fläche und direkteren Weg gegenüber herkömmlichen Ventilen in den Brennraum gelangen kann.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Viertakt-Verbrennungsmotor, welcher ein Gehäuse mit mindestens einem Verbrennungszylinder und einen Zylinderkopf umfasst. Der Zylinderkopf ist an das Gehäuse angebracht und deckt zumindest einen Verbrennungszylinder des Viertakt-Verbrennungsmotors ab. Der Zylinderkopf weist mindestens einen Gaseinlasskanal und mindestens einen Gasauslasskanal auf, wobei der Gaseinlasskanal als auch der Gasauslasskanal mindestens einem jeweiligen Verbrennungszylinder zugeordnet sind. Der Gaseinlasskanal weist mindestens ein Einlassventil und der Abgasauslasskanal weist mindestens ein Auslassventil auf. Mit anderen Worten, jeder Verbrennungszylinder ist mit einem Gaseinlasskanal und einem Abgasauslasskanal des Zylinderkopfes verbunden und der Gaseinlasskanal als auch der Abgasauslasskanal weisen jeweils mindestens ein Ventil auf.
Der Viertakt-Verbrennungsmotor zeichnet sich dadurch aus, dass das mindestens eine Einlassventil und das mindestens eine Auslassventil jeweils starr mit dem Zylinderkopf verbundene Einlassventilstöpsel und Auslassventilstöpsel sind. Ferner sind eine erste halbkreisförmige Ventilplatte und eine zweite halbkreisförmige Ventilplatte vorhanden, welche jeweils beweglich am Zylinderkopf gelagert und in dem Verbrennungszylinder verschiebbar angeordnet sind. Die erste Ventilplatte ist dabei dem Gaseinlasskanal und die zweite Ventilplatte ist dem Gasauslasskanal zugeordnet. Beide Ventilplatten weisen Durchbrechung auf, welche zu den Einlassventilstöpsel bzw. Auslassventilstöpsel korrespondieren.
Die feststehenden Ventilstöpsel und die beweglichen um einen Ventilhub auslenkbaren Ventilplatten bringen eine Verbesserung im Gaswechsel durch einen Zylinderkopf in einem Verbrennungsmotor durch die Minderung der Füllungsverluste der Ansaugluft auf dem Weg zum Verbrennungszylinder und eine Minderung der Strömungsverluste beim Ausschieben des Abgases.
Bei gleichen motorischen Randbedingungen (Hubraum, Bohrung, Ansaugluft - Unterdruck, Ladedruck, Ansaugluft - Temperatur, Ventilhub, Drehzahl etc.) erzielen die feststehenden Ventilstöpsel und die beweglichen um einen Ventilhub auslenkbaren Ventilplatten eine verbesserte Füllung des Verbrennungszylinders, was ausschlaggebend ist für ein höheres Drehmoment sowie eine höhere Leistung in einem Verbrennungsmotor. Zudem, durch eine Minderung der Gaswechselverluste, erzielen sie einen höheren Wirkungsgrad und somit einen geringeren Verbrauch bei vergleichbaren Motoren mit beweglichen Ventilen und fehlender Ventilplatte.
Im Ansaugtakt wird die erste Ventilplatte geöffnet und die zweite Ventilplatte geschlossen. Das bedeutet die zweite Ventilplatte dichtet den Verbrennungsraum vom Gasauslasskanal ab. Die erste Ventilplatte wird um einen vorbestimmten Ventil- hub bewegt. Die Bewegung erfolgt dabei in den Verbrennungsraum hinein. Gas, insbesondere Luft oder ein Luft-Kraftstoffgemisch strömt aus dem Gaseinlasskanal durch die von feststehenden Ventilstöpseln freigegebenen Durchbrechungen (Öffnungen) in der ersten Ventilplatte in den Verbrennungsraum.
Im Kompressionstakt wird die erste Ventilplatte geschlossen. Das bedeutet die erste Ventilplatte dichtet den Verbrennungsraum von Gaseinlasskanal ab. Die zweite Ventilplatte bleibt geschlossen.
Im Arbeitstakt bleiben die erste und zweite Ventilplatte geschlossen. Durch den ansteigenden Druck im Verbrennungsraum werden die erste und zweite Ventilplatte gegen den Ventilsitz im Zylinderkopf und gegen die Ventilsitze der feststehenden Ventilstöpsel gedrückt. Insbesondere wird die erste Ventilplatte an den am Zylinderkopf ausgeführten Ventilsitz am Gaseinlasskanal und die zweite an den am Zylinderkopf ausgeführten Ventilsitz am Abgasauslasskanal gedrückt. Dabei werden jeweils die Sitzpanzerungen in den Randbereichen der Durchbrechungen der beiden Ventilplatten gegen die Ventilsitze der jeweils korrespondierenden Ventilstöpsel gedrückt.
Im Ausstoßtakt wird die zweite Ventilplatte um einen vorbestimmten Ventilhub bewegt. Die Bewegung erfolgt dabei in den Verbrennungsraum hinein. Dadurch werden die Durchbrechungen in der zweiten Ventilplatte von feststehenden Ventilstöpseln im Abgasauslasskanal freigegeben und das Abgas im Verbrennungszylinder kann ausgestoßen werden. Die erste Ventilplatte bleibt geschlossen. Somit ist gewährleistet, dass das Abgas ausschließlich in den Abgasauslasskanal geleitet wird. Das Schließen einer Ventilplatte bedeutet im Folgenden, dass die Ventilplatte den Verbrennungsraum von dem jeweiligen Gaskanal abdichtet, indem die Ventilplatte gegen den Ventilsitz am Zylinderkopf und gegen den Ventilsitz an den Ventilstöpseln gedrückt ist. Die Ventilplatte dient somit auch als Dichtplatte. Für Restgasausspülung können in einer Ausführungsform die erste und die zweite Dichtplatten gegen Ende des Ausstoßtakts, d.h. wenn der Kolben um den oberen Totpunkt fährt, leicht geöffnet sein. Die oben genannten Ausführungen für den Viertakt-Verbrennungsmotor gelten analog auch für einen Zweitakt-Verbrennungsmotor mit Umkehrspülung. In diesem Fall sind in der Spülphase, d.h. der Kolben befindet sich um den unteren Totpunkt, beide Ventilplatten geöffnet, d.h. Gaseinlasskanal und Abgasauslasskanal sind geöffnet. Im Kompressionstakt und im Arbeitstakt sind beide Ventilplatten verschlossen, d.h. die Gaskanäle sind abgedichtet.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Zweitakt-Verbrennungsmotor, welcher ein Gehäuse mit mindestens einem Verbrennungszylinder und einen Zylinderkopf umfasst. Der Zylinderkopf ist an das Gehäuse angebracht und deckt zumindest einen Verbrennungszylinder des Zweitakt-Verbrennungsmotors ab. Der Zylinderkopf weist mindestens einen Gaseinlasskanal auf, wobei der Gaseinlasskanal mindestens einem jeweiligen Verbrennungszylinder zugeordnet ist. Der Gaseinlasskanal weist mindestens ein Einlassventil auf. Mit anderen Worten, jeder Verbrennungszylinder ist mit einem Gaseinlasskanal des Zylinderkopfes verbunden und der Gaseinlasskanal weist mindestens ein Ventil auf.
Der Zweitakt-Verbrennungsmotor zeichnet sich dadurch aus, dass das mindestens eine Einlassventil ein starr mit dem Zylinderkopf verbundener Einlassventilstöpsel ist. Ferner ist eine kreisförmige Ventilplatte vorhanden, welche beweglich am Zylinderkopf gelagert und in dem Verbrennungszylinder verschiebbar angeordnet ist. Die Ventilplatte ist dem Gaseinlasskanal zugeordnet. Die Ventilplatte weist Durchbrechungen auf, welche zu den Einlassventilstöpseln korrespondieren.
Das Abgas wird bei einem Zweitakt-Verbrennungsmotor mit direkter und großflächiger Gleichstromspülung idealerweise im unteren Bereich des Verbrennungszylinders ausgebracht. Bei großen Zweitakt-Dieselmotoren im Marinebereich mit Gleichstromspülung von unten nach oben wird das Abgas üblicherweise im oberen Bereich des Verbrennungszylinders ausgebracht, gegenüber dem großflächigen Einläse im unteren Bereich des Verbrennungszylinders. Die feststehenden Ventilstöpsel und die beweglichen um einen Ventilhub auslenkbaren Ventilplatten gewährleisten bei geschlossenen Ventilplatten einen idealen Verbrennungsraum.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die Art der verwendeten Kolben in den Verbrennungsmotoren nicht beeinträchtigt wird, so kann z.B. bei einem Dieselmotor ein Kolben mit Brennraummulde verwendet werden.
Die Erfindung wird im Weiteren anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Verbrennungszylinder eines Verbrennungsmotors mit Zylinderkopf in einer ersten und zweiten Stellung gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch einen Verbrennungszylinder eines Verbrennungsmotors mit Zylinderkopf mit einer Ventilplatte in einer ersten und zweiten Stellung gemäß der Erfindung,
Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch einen Verbrennungszylinder eines Verbrennungsmotors mit Zylinderkopf mit einem Ventil in einer dritten Stellung gemäß der Erfindung,
Fig. 4 einen schematischen Querschnitt durch einen Zylinderkopf mit zwei Ventilen gemäß der Erfindung
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer ersten und zweiten Ventilplatte in einem Verbrennungszylinder in Draufsicht.
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer in vier Ventilplattensegmente unterteilten Ventilplatte in einem Verbrennungszylinder in einem ersten Zustand, Fig. 7 eine schematische Darstellung einer in vier Ventilplattensegmente unterteilten Ventilplatte in einem Verbrennungszylinder in einem zweiten Zustand,
Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Verbrennungszylinders eines Verbrennungsmotors 1 mit Zylinderkopf 2 gemäß dem Stand der Technik. In der oberen Darstellung ist das Ventil 7 geschlossen, z.B. während des Arbeitstakts des Verbrennungsmotors 1. In der unteren Darstellung ist das Ventil 7 geöffnet, z.B. während dem Ansaugtakt des Verbrennungsmotors 1.
Fig. 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 1 mit einem Gehäuse 3 mit einem Verbrennungszylinder 4 und mit einem Zylinderkopf 2. Die Wandung des Verbrennungszylinders 4 ist mit aus dem Stand der Technik bekannten Methoden gekühlt. An das Gehäuse 3 ist ein Zylinderkopf 2 angebracht, welcher den Verbrennungszylinder 4 abdeckt. In dem Zylinderkopf 2 ist ein Ventil 7, insbesondere ein Tellerventil mit einem Ventilschaft und einem Ventilkopf angeordnet. Dieses Tellerventil 7 ist beweglich in dem Zylinderkopf 2 gelagert und mit einer Ventilsteuerung verbunden. Die Lagerung des Tellerventils und die Ventilsteuerung sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Zwischen dem Verbrennungszylinder 4 und dem Zylinderkopf 2 ist eine Zylinderkopfdichtung 19 ausgeführt. In dem Zylinderkopf 2 ist ein Gaskanal 11 , z.B. ein Ansaugluftkrümmer ausgeführt. In dem Verbrennungszylinder 4 ist ein axial beweglich ausgeführter Hubkolben 6 dargestellt, welcher zusammen mit dem Zylinderkopf 2 einen Brennraum 5 im Verbrennungszylinder 4 einschließt. Zündkerzen oder Einspritzdüsen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Einem Fachmann sind entsprechende Positionierungen bekannt.
Die obere Darstellung in Fig. 1 zeigt ein geschlossenes Ventil 7. Das Ventil 7 sitzt auf einem im Zylinderkopf 2 ausgeführten umlaufenden Ventilsitz 14. Das Ventil 7 dichtet den Brennraum 5 vom Gaskanal 11 ab. In der unteren Darstellung in Fig. 1 bewegt sich der Hubkolben 6 im Ansaugtakt des Motors 1 nach unten (Pfeilrichtung), wodurch ein Unterdruck im Brennraum 5 entsteht. Gleichzeitig wird das Ventil 7 geöffnet und zwar mittels einer Ventilsteuerung (nicht dargestellt), welche über einen Schlepp- oder Kipphebel (nicht dargestellt) auf den Ventilschaft 7a wirkt. Das Ventil 7 wird somit um einen Ventilhub 20 in den Brennraum 5 gelenkt. Die einströmende Luft bzw. das einströmende Luft- Kraftstoffgemisch strömt durch den Gaskanal 11 in den Brennraum 5 ein. Dabei umströmt (Pfeile) das Gemisch im Brennraum 5 den Ventilkopf 7b. Durch den langen und richtungswechselnden Strömungsweg um den Ventilkopf 7b entsteht unterhalb des Ventilkopfes 7b ein Totraum 8, welcher die erzielte Füllung und die Qualität des Gemisches beeinträchtigen kann.
Fig. 2 zeigt einen Verbrennungsmotor mit einem Gehäuse mit einem Verbrennungszylinder und mit einem Zylinderkopf mit einer Ventilplatte in einer ersten (Kompressions- bzw. Arbeitstakt) und zweiten Stellung (Ansaugtakt) gemäß der Erfindung. In Fig. 2 sind mit in Fig. 1 übereinstimmende Komponenten mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
An dem Zylinderkopf 2 ist ein feststehender Ventilstöpsel 7 angeordnet. Dieser Ventilstöpsel 7 weist einen Ventilschaft 7a und einen Ventilkopf 7b auf. Der Ventilstöpsel 7 ist dabei derart mit dem Zylinderkopf 2 verbunden, dass keine axiale Bewegung in Richtung Brennraum 5 möglich ist. Eine Ventilplatte 9 mit Durchbrechungen 13 ist beweglich am Zylinderkopf 2 gelagert. Fig. 2 zeigt beispielhaft aus Gründen der Übersichtlichkeit einen Zylinderkopf 2 mit einem Ventilstöpsel 7 und eine Ventilplatte 9 mit einer Durchbrechung 13.
Die Ventilplatte 9 ist um einen vorbestimmbaren Ventilhub 20 axial zum Ventilschaft 7a des Ventilstöpsels 7 verschiebbar. Die Ventilplatte 9 ist hierbei mit einer Ventilsteuerung (nicht dargestellt) verbunden. Insbesondere sind Halterungen 18 vorhanden, welche an der zylinderkopfseitigen Oberseite der Ventilplatte 9 angebracht sind und im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Ventilplatte bzw. parallel zum Ventilschaft 7a des Ventilstöpsel 7 verlaufend in den Zylinderkopf 2 geführt und dort befestigt und gelagert sind (nicht dargestellt). Diese Halterungen 18 können z.B. Schaftstücke sein, wie sie im Stand der Technik bei Schaftstücken mit beweglichen Ventilen bekannt sind. Die Halterung 18 ist durch den Gaskanal 11 geführt. Die Halterung 18 wird z.B. von einer Nocke über eine Nockenwelle angetrieben, was zu einer Auslenkung der Ventilplatte 9 führt.
Die obere Darstellung in Fig.2 zeigt die Ventilplatte 9 beispielhaft im Kompressions- oder Arbeitstakt eines Viertakt- Verbrennungsmotors 1, wobei die Ventilplatte 9 den Brennraum 5 des Verbrennungszylinders 4 und den Gaskanal 11 , 12 abdichtet. Der Gaskanal kann hierbei der Einlassgaskanal 11 oder der Abgasauslasskanal 12 sein. Hierbei sitzt die Ventilplatte 9 auf einem umlaufenden Ventilsitz 14, welcher am Zylinderkopf 2, insbesondere am Gaskanal 11 , 12 angebracht ist und gleichzeitig auf einem umlaufenden Ventilsitz 15, welcher an dem Ventilstöpsel 7 angebracht ist. Bei dem Ventilsitz 14, 15 kann es sich um Ventilsitzringe handeln. An der Ventilplatte 9 sind entsprechende Sitzpanzerungen 16, 17 im Bereich des Umfangs der Ventilplatte 9 und im Bereich des Umfangs der Durchbrechungen 13 vorgesehen, welche in die Ventilsitze 14, 15 eingreifen und somit eine zuverlässige Dichtung zwischen Brennraum 5 und Gaskanal 11 , 12 gewährleisten. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass der Umfang der Ventilplatte 9 und der Umfang der Durchbrechung 13 mit einem Ventilsitz (Ventilsitzring) ausgeführt wird und die entsprechenden darin eingreifende Bereiche des Ventilstöpsels 7 und des Gaskanals 11 , 12 mit einer Ventilsitzpanzerung.
In der unteren Darstellung in Fig. 2 bewegt sich der Hubkolben 6 im Ansaugtakt des Motors nach unten (Pfeilrichtung), wodurch ein Unterdruck im Brennraum 5 entsteht. Gleichzeitig wird die Ventilplatte 9 in Richtung des Brennraums 5 um einen Ventilhub 20 mittels einer Ventilsteuerung (nicht dargestellt) bewegt. Die Durchbrechungen 13 in der Ventilplatte 9 werden freigegeben. Die einströmende Luft bzw. das einströmende Luft-Kraftstoffgemisch strömt durch den Gaseinlasskanal 11 in den Brennraum 5 ein. Das Gas muss dabei den Ventilstöpsel 7 im Brennraum 5 nicht umspülen, sondern tritt direkt durch die Durchbrechungen 13 in der Ventilplatte 9 in den Brennraum 5 ein. Das Gas strömt (Pfeile) dabei durch die Ringspaltfläche 10 zwischen Ventilstöpsel 7 und Ventilplatte 9 ohne nennenswerten Strömungswiderstand als Jet-Säule durch die kreisförmigen Durchbrechungen 13 in der Ventilplatte 9. Im Gegensatz zum Stand der Technik entsteht im Brennraum 5 kein Totraum 8. Durch eine Vergrößerung der Anzahl der Durchbrechungen 13 in der Ventilplatte 9 kann, wie bereits oben erläutert, die verfügbarer effektive Ringspaltfläche 10 für die Zufuhr von Gas in den Brennraum 5 vergrößert werden.
In der unteren Darstellung in Fig. 2 ist zu erkennen, dass die Ringspaltfläche 10 bei der erfindungsgemäßen Anordnung außerhalb des Brennraums 5 gebildet wird, da die Ventilplatte 9 eine Trennung zwischen Brennraum 5 und Gaskanal 11 , 12 darstellt.
Die untere Darstellung in Fig. 2 zeigt, wie bereits beschrieben die Ansaugseite eines Zylinderkopfes 2. Für die Auslassseite gilt allerdings entsprechendes (Fig. 3). Im geöffneten Zustand, d.h. beim Ausstoßen der Abgase, ist die Ventilplatte 9 in den Brennraum 5 gedrückt und die Abgase passieren die vielen Durchbrechungen 13 in der Ventilplatte 9. Dadurch, dass die Abgase zunächst die Durchbrechungen durchströmen und anschließend den Ventilkopf 7b, entstehen im Unterschied zum Stand der Technik weniger Turbulenzen. Der Abgasausstoss wird dadurch zudem begünstigt, dass das Abgas aus dem Brennraum 5 in Richtung Abgasauslasskanal 12 einen kürzeren und somit direkten Weg zurücklegt. Die Ringspaltfläche 10 durch welche die Abgase fließen müssen, befindet sich auch hier auf der Zylinderkopfseite im Auslassbereich des Abgasauslasskanals 12 und nicht vollständig im Brennraum 5, wie es üblicherweise beim Stand der Technik der Fall ist. Eine Vielzahl von Durchbrechungen 13 ermöglicht auch hier eine erhebliche Vergrößerung der Ringspaltfläche 10.
Fig. 3 zeigt eine schematische Querschnittdarstellung eines Verbrennungsmotors gemäß Fig. 2 in einer weiteren Stellung (Ausstoßtakt). In Fig. 3 sind mit in Fig. 2 übereinstimmende Komponenten mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Im Ausstoßtakt, d.h. beim Ausstoßen der Abgase fährt der Hubkolben 6 nach oben (Pfeilrichtung), die Ventilplatte 9 ist geöffnet, d.h. die Ventilplatte 9 ist in den Brennraum 5 gedrückt. Die Abgase (Pfeile) durchströmen die Durchbrechung 13 in der Ventilplatte 9 und werden anschließend um den Ventilstöpsel 7 in den Abgasauslasskanal 12 geleitet. Hierbei umströmen die Abgase den Ventilstöpsel 7 nicht innerhalb des Brennraums 5, sondern erst nach Durchströmung der Durchbrechung 13 im Abgasauslasskanal 12. Beispielhaft ist in Fig. 3 nur eine Durchbrechung 13 gezeigt. Durch eine Vielzahl von Durchbrechungen 13 kann die Ringspaltfläche 10 vergrößert werden, so dass mehr Gas pro Zeiteinheit ausgestoßen werden kann, als es mit einem Zylinderkopf gemäß dem Stand der Technik mit beweglichen Ventilen möglich ist.
Der Ventilstöpsel 7 ist wassergekühlt. Hierzu befindet sich innerhalb des Ventilschafts 7a und dem Ventilteller 7b ein Kühlkanal 21 , welcher mit einer Kühlvorrichtung (nicht dargestellt) verbunden ist. Somit ist es möglich, dass über den Ventilstöpsel 7 Wärme von der Ventilplatte 9 zyklisch, d.h. wenn die Ventilplatte 9 geschlossen ist, abgeführt werden kann.
Die bewegliche Ventilplatte 9 ist über eine Halterung 18, wie in Fig. 2 erläutert, im Zylinderkopf 2 gehalten.
Fig. 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Zylinderkopf mit zwei feststehenden Ventilstöpseln 7 und einer Ventilplatte 9 mit entsprechend zwei Durchbrechungen 13. Die beiden Ventilstöpsel 7 sind beispielsweise parallel zueinander angeordnet.
Die Darstellung zeigt, dass beim Öffnen des Gaskanals 11 ,12, d.h. beim Bewegen der Ventilplatte 9 in den Brennraum 5 z.B. im Ansaugtakt, Gas einerseits durch die Durchbrechungen 13 und anderseits am Rand der Ventilplatte 9 in den Brennraum 5 strömen kann. Insbesondere ist es möglich, dass die Oberseite der Ventilplatte 7, d.h. die gaskanalzugewandte Seite der Ventilplatte mit einer Maskierung (nicht dargestellt) versehen ist. Diese Maskierung dient dazu dem einströmenden Gas eine Drallströmung aufzuprägen. Auf der Oberseite, also der brennraumabgewandten Seite der Ventilplatte 9 sind Halterungen 18 vorgesehen zum Halten und Lagern der Ventilplatte 9 im Zylinderkopf 2. Diese Halterungen 18 können z.B. Metallstangen sein, welche an der Oberseite der Ventilplatte 9 befestigt sind und mit einem Lager im Zylinderkopf 2 (nicht dargestellt) verbunden sind und wie oben beschrieben z.B. über eine Nocke einer Nockenwelle angetrieben werden. Diese Halterungen 18 sind beispielsweise parallel zueinander ausgeführt.
Fig. 5 zeigt in Draufsicht einen Verbrennungszylinder mit einer ersten und einer zweiten Ventilplatte 9a, 9b. Die erste Ventilplatte 9a und die zweite Ventilplatte 9b sind jeweils halbkreisförmig ausgebildet und senkrecht zur Zeichenebene im Verbrennungszylinder 4 beweglich angeordnet. In den Ventilplatten 9a, 9b sind Durchbrechungen 13 ausgebildet, in welche die Ventilstöpsel 7, welche am Zylinderkopf 2 fest angebracht sind, eingreifen können.
Beispielhaft weist jede Ventilplatte 9a, 9b drei Befestigungspunkte 18 auf, an welchen die Halterung für die Ventilplatte 9a, 9b befestigt ist. Diese Halterungen sind im Zylinderkopf gelagert. Eine solche Lagerung kann z.B. entsprechend einer Lagerung eines herkömmlichen beweglichen Tellerventils erfolgen.
Beispielhaft ist die Anzahl der Durchbrechungen 13 der ersten Ventilplatte 9a gleich der Anzahl der Durchbrechungen der zweiten Ventilplatte 9b. Es ist aber auch möglich, dass die Ventilplatten 9a, 9b eine unterschiedliche Anzahl von Durchbrechungen 13 aufweisen. Insbesondere kann die Zahl der Durchbrechungen der Ventilplatte, welche dem Abgasauslasskanal zugeordnet ist kleiner sein als die Zahl der Durchbrechungen der Ventilplatte, welche dem Einlassgaskanal zugeordnet ist.
In einer weiteren Ausführungsform kann die ansaugseitige Ventilplatte 9a, d.h. die Ventilplatte des Gaseinlasskanals größer ausgebildet sein, als die abgasseitige Ventilplatte 9b. Mit anderen Worten der Querschnitt der ansaugseitigen Ventilplatte 9a bezogen auf den Zylinderquerschnitt ist größer als der Querschnitt der abgasseiti- gen Ventilplatte 9b. Die ansaugseitige Ventilplatte 9a kann somit einen größeren Querschnitt als nur den halben Zylinderquerschnitt 4 (Zylinderbohrung) aufweisen. Hieraus ergeben sich weitere Vorteile hinsichtlich des Atmungsquerschnitts der an- saugseitigen Ventilplatte 9a, wodurch die Befüllung des Zylinders 4 verbessert werden kann.
Wie bereits oben erwähnt, können die einzelnen Durchbrechungen einer Ventilplatte 9a, 9b unterschiedliche Formen und/oder Durchmesser aufweisen. Insbesondere ist es möglich, dass die erste Ventilplatte 9a Durchbrechungen mit anderen Durchmessern aufweist, als die zweite Ventilplatte 9b. Damit ist es möglich, dass pro Ventilplatte 9a, 9b zur Verfügung stehende Fläche besser ausgenutzt werden kann, so dass eine möglichst große Gasmenge pro Zeiteinheit durch die Ventilplatte und den mit dem Ventilstöpsel gebildeten Ringspalt transportiert werden kann.
Fig. 6 und Fig. 7 zeigen schematisch einen Verbrennungszylinder mit einer Ventilplatte 9, welche in vier Ventilplattensegmente 9a, 9b, 9c, 9d unterteilt ist. Hierbei sind in Fig. 6 die perspektivisch hinten angeordneten Ventilplattensegmente 9a, 9b beispielhaft einem Gaseinlasskanal (nicht dargestellt) und die perspektivisch vorne angeordneten Ventilplattensegmente 9c, 9d beispielhaft einem Gasauslasskanal (nicht dargestellt) zugeordnet. In Fig. 7 sind der Übersichthalber lediglich die in Fig. 6 gezeigten hinteren Ventilplattensegmente 9a, 9b gezeigt.
Die vier viertelkreisförmige Ventilplattensegmente 9a, 9b, 9c, 9d sind in Fig. 6 im geschlossenen Zustand gezeigt, wobei auf der Einlass-Seite (hinten) die Ventilstöpsel 7 und auf der Auslass-Seite (vorne) der Übersichthalber keine Stöpsel eingezeichnet sind. Die beispielhaft vier Ventilplattensegmente 9a, 9b, 9c, 9d können entsprechend den Erläuterungen zu Fig. 5 über die Halterung 18 senkrecht in den Brennraum vom Verbrennungszylinder bewegt werden. In den Ventilplattensegmente 9a, 9b, 9c, 9d sind Durchbrechungen (nicht dargestellt) ausgeführt, welche kreisförmig sein können oder aber jegliche andere Form wie z.B. kuchenförmige Viertel- Hälften mit abgerundeten Ecken wie in Fig. 6 und Fig. 7 dargestellt. Die jeweiligen Ventilplattensegmente 9a, 9b, 9c, 9d besitzen wie in Fig. 2 entsprechende Sitzpanzerungen 16, 17 im Bereich des Umfangs der Ventilplattensegmente 9a, 9b, 9c, 9d und im Bereich des Umfangs der Durchbrechungen 13 welche in die Ventilsitze 14, 15 eingreifen. Hierbei sitzt ein Abschnitt des Umfangs eines Ventilplattensegments 9a, 9b, 9c, 9d auf einem Abschnitt eines umlaufenden Ventilsitz 14 des Gaskanals welcher am Zylinderkopf (nicht dargestellt) und gleichzeitig auf einem umlaufend Ventilsitz 15, welcher an dem Ventilstöpsel 7 angebracht ist.
Fig. 7 zeigt die beiden viertelkreisförmige Ventilplattensegmente 9a, 9b, welche dem Gaseinlasskanal (nicht dargestellt) zugeordnet sind, in unterschiedlichen Positionen zu einander. Eine Einlass Ventilplatte ist schon geöffnet und die zweite ist noch geschlossen.
Es ist somit möglich, die beiden Ventilplattensegmente 9a, 9b der Gaseinlassseite, d.h.die Ventilplattensegemente, die dem Gaseinlasskanal zugeordnet sind, variabel voneinander zu steuern. Das ermöglicht die beiden Ventilplattensegmente 9a, 9b der Gaseinlassseite als eine Art Einlassventile einzeln und auch unabhängig voneinander zu steuern wie bei den variablen Ventilsteuerungen von Tellerventilen im Stand der Technik. Somit können definierte Teilhübe ermöglicht werden oder auch kontinuierlich variable Hübe. Eine frei variable Öffnungsdauer der Ventilplattensegmente 9a, 9b kann erzielt werden durch frei variable Öffnungs- und Schließzeiten. Durch eine variable Ventilsteuerung kann die Ladungsbewegung beeinflusst werden zur Verbesserung der Gemischbildung durch z.B. gezielte Drall-Bewegungen im Gasstrom. Bei niedrigen Drehzahlen und oder niedrigen Lastanforderungen ist der Volumenstrom kleiner und somit ist die Einströmgeschwindigkeit des Kraftstoff-Luft- Gemischs geringer bei gleichbleibender Geometrie von Einlasskanal und Ventilöffnungsquerschnitt. Durch einen niedrigeren Ventilhub kann die Einströmgeschwindigkeit des Kraftstoff-Luft-Gemischs erhöht werden. Einlassventile die phasenverschoben sind zu einander und oder unterschiedlich großen Hub ausüben, können die Drall-Bewegung deutlich erhöhen. Somit ermöglicht die variable Ventilsteuerung eine bessere Gemisch-Aufbereitung und eine effizientere Verbrennung über den gesamten Drehzahlbereich und allen Lastanforderungen. Somit kann die Leistung und Effizienz des Motors verbessert werden. Weiterhin kann die Steuerung der internen Abgasrückführung den Schadstoff Ausstoß wie z.B. Stickoxide reduzieren. Bezuqszeichen Verbrennungsmotor
Zylinderkopf
Gehäuse
Verbrennungszylinder
Brennraum
Hubkolben
Ventil, Ventilstöpsel
a Ventilschaft
b Ventilkopf
Totraum
Ventilplatte
0 Ringspaltfläche
1 Gaseinlasskanal
2 Abgasauslasskanal
3 Durchbrechung
4 Ventilsitzring Gaskanal
5 Ventilsitzring Ventilstöpsel
6 Sitzpanzerung Ventilplatte
7 Sitzpanzerung Durchbrechung
8 Halterung Ventilplatte
9 Zylinderkopfdichtung
0 Ventilhub

Claims

Patentansprüche
1. Zylinderkopf (2) für einen Verbrennungsmotor (1) umfassend einen Gaskanal (11 , 12) und mit mindestens einem dem Gaskanal (11 , 12) zugeordneten Ventil (7),
dadurch gekennzeichnet, dass
das mindestens eine Ventil (7) ein starr mit dem Zylinderkopf (2) verbundener Ventilstöpsel (7) ist und dass
dem Gaskanal (11 , 12) eine Ventilplatte (9, 9a, 9b) zugeordnet ist, welche beweglich am Zylinderkopf (2) gelagert ist,
wobei die Ventilplatte (9, 9a, 9b) zu dem mindestens einem Ventilstöpsel (7) des Gaskanals (11 , 12) eine korrespondierende Durchbrechung (13) aufweist.
2. Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor umfassend einen Gaseinlasskanal (11) mit mindestens einem Einlassventil (7) und einen Gasauslasskanal (12) mit mindestens einem Auslassventil (7),
dadurch gekennzeichnet, dass
das mindestens eine Einlassventil (7) und das mindestens eine Auslassventil (7) starr mit dem Zylinderkopf (2) verbundene Einlassventilstöpsel (7) und Auslassventilstöpsel (7) sind und dass
dem Gaseinlasskanal (11) eine erste Ventilplatte (9a) und dem Abgasauslasskanal (12) eine zweite Ventilplatte (9b) zugeordnet ist, welche beweglich am Zylinderkopf (2) gelagert sind,
wobei die erste Ventilplatte (9a) zu dem mindestens einen Einlassventilstöpsel (7) des Gaseinlasskanals (11) eine korrespondierende Durchbrechung (13) und die zweite Ventilplatte (9b) zu dem mindestens einen Auslassventilstöpsel (7) des Abgasauslasskanals (12) eine korrespondierende Durchbrechung (13) aufweist.
3. Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskanal (11 , 12) einen umlaufenden Ventilsitzring (14) zur Aufnahme der Ventilplatte (9, 9a, 9b) und der Ventilstöpsel (7) einen fest mit ihm verbundenen, umlaufenden Ventilsitzring (15) zum Eingriff in die Durchbrechung (13) aufweist, und dass die Ventilplatte (9, 9a, 9b) eine den Randbereich der Ventilplatte (9, 9a, 9b) umlaufende Sitzpanzerung (16) zur Abdichtung gegen den Ventilsitzring (14) des Gaskanals (11 , 12) aufweist und der Randbereich der Durchbrechung (13) eine umlaufende Sitzpanzerung (17) zur Abdichtung gegen den Ventilsitzring (15) des Ventilstöpsels (7) aufweist, derart, dass der Gaskanal (11 , 12) vollständig abdichtbar ist.
4. Zylinderkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einem Ventilstöpsel (7) zugeordnete Durchbrechung (13) in der Ventilplatte (9, 9a, 9b) kreisförmig, oval, halbkreisförmig, rechteckig oder als Kombination daraus ausgebildet ist.
5. Zylinderkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren Durchbrechungen (13) in einer Ventilplatte (9, 9a, 9b) die einzelnen Durchbrechungen gleiche und/oder verschiedene Querschnittsflächen aufweisen.
6. Zylinderkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilstöpsel (7) mit einer Kühleinrichtung verbunden sind.
7. Zylinderkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilplatte (9, 9a, 9b) hohl ausgeführt ist.
8. Zylinderkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilplatte (9, 9a, 9b) mit einem mit dem Zylinderkopf (2) verbindbaren Ventiltrieb verbunden ist.
9. Zylinderkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventilplatte (9, 9a, 9b) aus mehreren Ventilplattensegmenten (9a, 9b, 9c, 9d) besteht.
10. Zylinderkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilplattensegmenten (9a, 9b, 9c, 9d) derart ausgeführt sind, dass jedes Ventilplattensegment (9a, 9b, 9c, 9d) einzeln und unabhängig voneinander ansteuerbar ist. 1. Viertakt-Verbrennungsmotor umfassend
ein Gehäuse (3) mit mindestens einem Verbrennungszylinder (4) und einen Zylinderkopf (2),
der an das Gehäuse (3) angebracht ist und zumindest einen Verbrennungszylinder (4) abdeckt,
wobei der Zylinderkopf (2) mindestens einen Gaseinlasskanal (11) und mindestens einen Gasauslasskanal (12) aufweist,
wobei der Gaseinlasskanal (11) als auch der Gasauslasskanal (12) mindestens einem jeweiligen Verbrennungszylinder (4) zugeordnet sind, wobei der Gaseinlasskanal (11) mindestens ein Einlassventil (7) und der Gasauslasskanal (12) mindestens ein Auslassventil (7) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass
das mindestens eine Einlassventil (7) und das mindestens eine Auslassventil (7) jeweils starr mit dem Zylinderkopf (2) verbundene Einlassventilstöpsel (7) und Auslassventilstöpsel (7) sind und dass
eine erste halbkreisförmige Ventilplatte (9a) und eine zweite halbkreisförmige Ventilplatte (9b) vorhanden sind, welche jeweils beweglich am Zylinderkopf (2) gelagert und in dem Verbrennungszylinder (4) verschiebbar angeordnet sind, wobei die erste Ventilplatte (9a) dem Gaseinlasskanal
(11) und die zweite Ventilplatte (9b) dem Gasauslasskanal (12) zugeordnet ist und
wobei die Ventilplatten (9a, 9b) zu jedem Ventilstöpsel (7) eine korrespondierende Durchbrechung (13) aufweisen.
12. Zweitakt- Verbrennungsmotor umfassend
ein Gehäuse (3) mit mindestens einem Verbrennungszylinder (4) und einen Zylinderkopf (2),
der an das Gehäuse (3) angebracht ist und zumindest einen Verbrennungszylinder (4) abdeckt, wobei der Zylinderkopf (2) mindestens einen Gaseinlasskanal (11) aufweist,
wobei der Gaseinlasskanal (11) mindestens einem Verbrennungszylinder (4) zugeordnet ist,
wobei der Gaseinlasskanal (11) mindestens ein Einlassventil (7) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das mindestens eine Einlassventil (7) ein starr mit dem Zylinderkopf (2) verbundenes Einlassventilstöpsel (7) ist und dass
eine kreisförmige Ventilplatte (9) vorhanden ist, welche beweglich am Zylinderkopf (2) gelagert und in dem Verbrennungszylinder (4) verschiebbar angeordnet ist,
wobei die Ventilplatte (9) dem Gaseinlasskanal (11) zugeordnet ist und zu dem mindestens einen Einlassventilstöpsel (7) eine korrespondierende Durchbrechung (13) aufweist.
13. Verbrennungsmotor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilplatte (9, 9a, 9b) aus mehreren Ventilplattensegmenten (9a, 9b, 9c, 9d) besteht, welche einzeln und unabhängig voneinander ansteuerbar sind.
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