DE69600204T2

DE69600204T2 - Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69600204T2
Application number: DE69600204T
Authority: DE
Inventors: Masahisa Nagata
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1995-01-24
Filing date: 1996-01-18
Publication date: 1998-08-13
Anticipated expiration: 2016-01-19
Also published as: US5596965A; JPH08200023A; DE69600204D1; EP0723074B1; EP0723074A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor und insbesondere bezieht sie sich auf den Aufbau eines unteren Endes einer in dem Zylinderkopf ausgebildeten Einlaßöffnung
Bei einem Verbrennungsmotor mit zwei Einlaßöffnungen pro Zylinder, wie er in Fig. 4 dargestellt ist, erzeugt eine Einlaßöffnung 21 eine Wirbelströmung 23 in einem Zylinder 24 und die andere Einlaßöffnung 22 bewirkt, daß ein Teil der Einlaßluft in den Zylinder 24 in einer Richtung 29 strömt, die zu der Wirbelströmung 23 entgegengesetzt ist. Dadurch wird die Erzeugung einer starken Wirbelströmung in dem Zylinder 24 unterbunden.
Um zum Verbessern des Wirbelverhältnisses die der Wirbelströmung entgegengesetzte Strömung von der Einlaßöffnung 22 zu schwächen, offenbart die japanische Patentveröffentlichung Nr. Sho 56-148 616 ein Einlaßventil 26, das mit einer Ummantelung 25 versehen ist, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist.
Das Einlaßventil 26 ist gegenüber einer Richtung geneigt, die zu einer unteren Oberfläche 30 des Zylinderkopfes 27 senkrecht ist, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist. Folglich wird ein Totvolumen 28 (ein (im Querschnitt) dreieckiger Abschnitt, der durch die Strecken A'B', B'C' und C'A' umgeben wird) zwischen einer Verlängerung der unteren Oberfläche 30 des Zylinderkopfes 27 und einer unteren Oberfläche 26a des Einlaßventils 26 definiert.
Jedoch hat der Verbrennungsmotor, der eine Vielzahl von Einlaßöffnungen hat und der das geneigte Einlaßventil mit einer Ummantelung verwendet, die nachstehenden Probleme.
Erstens steigt durch ein Vorsehen einer Ummantelung die Anzahl der Bestandteile an. Um des weiteren zu verhindern, daß sich das Einlaßventil um seine eigene Achse dreht, was zu einer Versetzung der Ummantelung von ihrer beabsichtigten Position führt, ist es notwendig, eine zusätzliche Vorrichtung zur Verhinderung einer Ventildrehung vorzusehen. Diese beiden Faktoren erhöhen die Herstellkosten.
Zweitens senkt das aufgrund der Neigung des Einlaßventils bewirkte Totvolumen das Verdichtungsverhältnis des Motors und verringert dadurch die Motorleistung.
Die Druckschrift US-A-5 230 310 beschreibt einen Zylinderkopf nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, der ein Wirbelverhältnis verbessern kann, ohne die Anzahl der Bestandteile zu erhöhen, und der ein durch ein geneigtes Einlaßventil bewirktes Totvolumen verringern kann.
Die Erfindung schafft einen Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1.
Ein erfindungsgemäßer Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor hat zumindest eine erste Einlaßöffnung zum Erzeugen einer Wirbelströmung in einem Zylinder und zumindest eine zweite Einlaßöffnung, die bewirkt, daß zumindest ein Teil der Einlaßluft in den Zylinder in eine Richtung strömt, die zu der wirbelströmung entgegengesetzt ist. Die zweite Einlaßöffnung hat einen Wandabschnitt, der sich unterhalb einer unteren Oberfläche eines Einlaßventils erstreckt, das in der zweiten Einlaßöffnung eingebaut ist. Ein Abschnitt des Wandabschnittes an der Seite, die nahe zu einer Auslaßöffnung ist, hat ein unteres Ende, das vorzugsweise im wesentlichen senkrecht zu der unteren Oberfläche des Zylinderkopfes ist.
Bei dem vorstehend beschriebenen Zylinderkopf kollidiert zumindest ein Teil der Einlaßluft, die durch die zweite Einlaßöffnung tritt, mit dem Abschnitt der Wand, der im wesentlichen gegenüber der unteren Oberfläche des Zylinderkopfes senkrecht ist, so daß er nach unten gerichtet wird. Daher ist es unwahrscheinlich, daß die in dem Zylinder erzeugte Wirbelströmung geschwächt wird, und somit wird das Wirbelverhältnis verbessert. Dies wird erreicht, ohne daß eine Ummantelung oder dergleichen an dem Einlaßventil und folglich ohne daß irgend eine Vorrichtung zum Verhindern einer Ventildrehung vorgesehen wird.
Des weiteren wird erfindungsgemäß das Totvolumen zwischen der unteren Oberfläche des Einlaßventils und einer Verlängerung der unteren Oberfläche des Zylinderkopfes im Vergleich zu dem Totvolumen mit der herkömmlichen sich schräg erstreckenden Wand verringert, so daß die Motorleistung verbessert wird.
Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher und verständlicher.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Abschnittes eines Zylinderkopfes für einen Verbrennungsmotor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung entlang einer Linie 1 - 1 von Fig. 3;
Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Abschnittes eines Zylinderkopfes in einem Verbrennungsmotor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf einen Zylinderabschnitt des Motors von Fig. 1 und Fig. 2;
Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf einen Zylinderabschnitt eines herkömmlichen Motors;
Fig. 5 zeigt eine perspektivische Teilansicht eines herkömmlichen Einlaßventils mit einer Ummantelung; und
Fig. 6 zeigt eine Querschnittsansicht eines Abschnittes eines Zylinderkopfes in einem herkömmlichen Verbrennungsmotor entlang einer Linie 6 - 6 von Fig. 4.
Drei Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Fig. 1 - 3 erläutert. Die Aufbauabschnitte, die bei allen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung gleich sind, sind in der Beschreibung der Ausführungsbeispiele durchgehend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Zunächst werden die Aufbauabschnitte, die bei allen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung gleich sind, unter Bezugnahme auf beispielsweise Fig. 1 erläutert. In Fig. 1 umfaßt ein Zylinderkopf 1 für einen Verbrennungsmotor eine Vielzahl (als Beispiel zwei) Einlaßöffnungen 2 und 3 und zumindest einen (als Beispiel zwei) Auslaßöffnungen 9 und 10 pro Zylinder. Die Vielzahl von Einlaßöffnungen umfaßt zumindest eine (als Beispiel eine) Öffnung 3 zum Erzeugen einer wirbelströmung 6 in einem Zylinder 15 und zumindest eine (als Beispiel eine) Öffnung 2, die bewirkt, daß zumindest ein Teil der Einlaßluft in den Zylinder 15 in einer Richtung 8 strömt, die zu der Wirbelströmung 6 entgegengesetzt ist. Die Wirbelerzeugungsöffnung 3 kann eine Öffnung sein, die einen Wirbel selbst erzeugen kann, oder sie kann eine Öffnung sein, die sich tangential zu dem Zylinder öffnet. Die Öffnung 2 kann eine Wirbelerzeugungsöffnung oder eine geradlinige Öffnung (keine Wirbelöffnung) sein. Ein Einlaßventil 4, das in jeder Öffnung 2, 3 montiert ist, hat eine Achse, die gegenüber einer Richtung geneigt ist, die zu einer unteren Oberfläche 5 des Zylinderkopfes 1 senkrecht ist.
Da das Einlaßventil 4 geneigt ist, wird ein Totvolumen 7 mit einem im wesentlichen dreieckigen Querschnitt (ein Abschnitt, der durch die Strecken AB, BC und CA umgeben ist) zwischen einer unteren Oberfläche 4a des Einlaßventils 4 und einer Verlängerung der unteren Oberfläche 5 des Zylinderkopfes 1 definiert.
Die zweite Einlaßöffnung 2 hat eine Wand 11 an einem stromabwärtigen Ende der Einlaßöffnung 2, die sich unterhalb der unteren Oberfläche 4a des Einlaßventils 4 erstreckt. Ein Abschnitt der Wand 11 an einer Seite, die nahe zu einer benachbarten Auslaßöffnung 10 ist, umfaßt ein unteres (oder stromabwärtiges) Ende 11a, ein oberes (oder stromaufwärtiges) Ende 11c und einen Zwischenabschnitt 11b zwischen dem unteren Ende 11a und dem oberen Ende 11c. Das untere Ende 11a ist im wesentlichen zu der unteren Oberfläche 5 des Zylinderkopfes 1 senkrecht. Das obere Ende 11c der Wand 11 ist mit einer abgeschrägten Innenfläche 13a eines unteren Abschnittes eines Ventilsitzes 13 tangential verbunden, der an der Einlaßöffnung 2 eingepaßt ist. Das untere Ende 11a und der Zwischenabschnitt 11b der Wand 11 sind von einer nach unten projizierten Verlängerung (die durch eine gestrichelte Linie 16 dargestellt ist, die auch einem Aufbau einer Einlaßöffnung des herkömmlichen Zylinderkopfes gleich ist) des unteren Endes 11c der Wand 11 radial nach innen angeordnet.
Nachstehend werden Aufbauabschnitte erläutert, die bei jedem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verschieden sind.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das in Fig. 1 dargestellt ist, erstreckt sich der Zwischenabschnitt 11b des Abschnittes der Wand 11 an der Seite, die nahe zu der benachbarten Auslaßöffnung 10 ist, von dem unteren Ende 11a geradlinig zu dem oberen Ende 11c. Der Zwischenabschnitt 11b erstreckt sich in einer Richtung, die im wesentlichen zu der unteren Oberfläche 5 des Zylinderkopfes 1 senkrecht ist.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das in Fig. 2 dargestellt ist, erstreckt sich der Zwischenabschnitt 11b an der Seite, die nahe zu der benachbarten Auslaßöffnung 10 ist, von dem unteren Ende 11a zu dem oberen Ende 11c in einer gekrümmten Weise. Der Zwischenabschnitt 11b ist mit dem oberen Ende 11c und dem unteren Ende 11a an entgegengesetzten Enden des Zwischenabschnittes 11b tangential verbunden.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, hat die Wand 11 der zweiten Einlaßöffnung 2 ebenfalls einen zweiten Abschnitt 11d an einer Seite, die nahe zu der ersten Einlaßöffnung (Wirbelerzeugungsöffnung) 3 ist. Zumindest ein unteres Ende des zweiten Abschnittes 11d ist im wesentlichen senkrecht zu der unteren Oberfläche 5 des Zylinderkopfes 1. Ein Zwischenabschnitt und ein oberes Ende des zweiten Abschnittes 11d der Wand 11 können ebenfalls im wesentlichen senkrecht zu der unteren Oberfläche 5 des Zylinderkopfes 1 sein.
Der Betrieb und die Vorteile des Zylinderkopfes mit den vorstehend beschriebenen Aufbauarten werden nachstehend erläutert.
Bestimmte Betriebsmerkmale und Vorteile haben alle Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung gemeinsam. Wenn sich ein (nicht gezeigter) Kolben in dem Zylinder 15 abwärts bewegt, wird Einlaßluft durch die erste und die zweite Einlaßöffnung 2 und 3 in den Zylinder 15 eingeleitet. Die erste Einlaßöffnung 3 erzeugt eine Wirbelströmung 6 in dem Zylinder 15. Die zweite Einlaßöffnung 2 bewirkt, daß zumindest ein Teil der Einlaßluft in den Zylinder 15 in einer Richtung 8 strömt, die im allgemeinen zu der Wirbelströmung 6 entgegengesetzt ist. Wenn die Einlaßluft durch die zweite Einlaßöffnung 2 tritt, kollidiert zumindest ein Teil der Einlaßluft mit dem unteren Ende 11a und dem Zwischenabschnitt 11b der Wand 11, so daß die Strömungsrichtung in Abwärtsrichtung verändert wird. Folglich wird die Stärke der Komponente der Einlaßluftströmung verringert, die zu der Wirbelströmung 6 entgegengesetzt ist. Dadurch wird die Wirbelströmung 6 nicht so sehr geschwächt, wenn die Strömung in den Zylinder 15 von der zweiten Einlaßöffnung 2 gelangt. Daher wird das Wirbelverhältnis verbessert, was wiederum ein Zerstäuben des Kraftstoffes und ein Mischen des Kraftstoffes und der Luft fördert, um dadurch die Verbrennung und den Kraftstoffverbrauch zu verbessern.
Da des weiteren zumindest das untere Ende 11a der Wand 11 im wesentlichen senkrecht zu der unteren Oberfläche 5 des Zylinderkopfes 1 ist, wird das Totvolumen 7 zwischen der unteren Oberfläche 4a des Einlaßventils 4 und der seitlichen Verlängerung der unteren Oberfläche 5 des Zylinderkopfes 1 durch das Volumen verringert, das durch die Strecken AD, DE und EA (siehe beispielsweise Fig. 1) umgeben ist. Folglich wird das Verdichtungsverhältnis des Motors erhöht, so daß die Motorleistung verbessert wird.
Der Betrieb und die Vorteile werden erläutert, die bei jedem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verschieden sind.
Da bei dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sowohl das untere Ende 11a als auch der Zwischenabschnitt 11b der Wand 11 im wesentlichen senkrecht zu der unteren Oberfläche 5 des Zylinderkopfes 1 sind, wird der sich ergebende vertikale Wandabschnitt verhältnismäßig lang gestaltet. Daher wird die Richtung der Einlaßluftströmung wirkungsvoll in Abwärtsrichtung verändert.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird aufgrund der Krümmung des Zwischenabschnittes 11b der Wand 11 die Richtung der Einlaßluftströmung allmählich verändert, so daß der Druckverlust der Einlaßluft, die durch das Ende der zweiten Öffnung 2 tritt, gering ist. Die Motorleistung wird daher erhöht.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die durch die zweite Einlaßöffnung 2 zu einem Abschnitt 17 des Zylinders zwischen der ersten Einlaßöffnung 3 und der zweiten Einlaßöffnung 2 eingeleitete Einlaßluftströmung in Abwärtsrichtung gerichtet, weil der zweite Abschnitt 11d der Wand 11 ein unteres Ende umfaßt, das im wesentlichen senkrecht zu der unteren Oberfläche 5 des Zylinderkopfes 1 ist. Daher wird die verlustbehaftete Kollision der Einlaßluftströmung von der ersten Einlaßöffnung 3 und der Einlaßluftströmung von der zweiten Einlaßöffnung 2 an dem Abschnitt 17 des Zylinders geschwächt. Das Wirbelverhältnis wird demgemäß weiter verbessert.

Claims

1. Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor mit zumindest einem Zylinder mit:

einer Vielzahl von Einlaßöffnungen (2, 3) und zumindest einer Auslaßöffnung (9, 10), die zu dem zumindest einen Zylinder (15) zugehörig sind, wobei die Vielzahl von Einlaßöffnungen (2, 3) und die zumindest eine Auslaßöffnung (9, 10) jeweils Mündungen definieren, die an einer Oberfläche (5) des Zylinderkopfes (1) offen sind, wobei eine erste Einlaßöffnung (3) so aufgebaut und angeordnet ist, daß sie eine Wirbelströmung (6) in dem zumindest einen Zylinder (15) erzeugt, und eine zweite Einlaßöffnung (2) so aufgebaut und angeordnet ist, daß sie eine Strömung innerhalb des zumindest einen Zylinders (15) in einer Richtung erzeugt, die der Wirbeiströmung (6) entgegengesetzt ist, die durch die erste Einlaßöffnung (3) erzeugt wird; und

einem Einlaßventil (4) und einem Ventilsitz (13), die jeweils zu der ersten Einlaßöffnung (3) und der zweiten Einlaßöffnung (2) wirkzugehörig sind, wobei der Ventilsitz (13) eine abgeschrägte Innenfläche (13a) hat, dadurch gekennzeichnet, daß

eines der Einlaßventile (4) innerhalb der zweiten Einlaßöffnung aufgebaut und angeordnet ist, um einen Wandabschnitt (11) in nur der zweiten Einlaßöffnung zu definieren, der sich in einer stromabwärtigen Richtung von dem Einlaßventil (4) weg erstreckt, wobei der Wandabschnitt (11) einen stromaufwärtigen Teil (11c), der mit der abgeschrägten Innenfläche (13a) des Ventilsitzes (13) tangential verbunden ist, einen stromabwärtigen Teil (11a) und einen Zwischenteil (11b) zwischen ihnen aufweist;

der Wandabschnitt (11), die Oberfläche (5) des Zylinderkopfes (1) und das Einlaßventil (4) ein Totvolumen mit einem im wesentlichen dreieckigen Querschnitt mit drei Seiten definieren und der Seitenwandabschnitt (11) die kürzeste dieser Seiten bildet, und

zumindest ein Abschnitt in einer Umfangsrichtung des stromabwärtigen Teiles (11a) des Wandabschnittes (11), der zu der zumindest einen Auslaßöffnung (10) benachbart ist, radial innerhalb einer gedachten Verlängerung (16) des stromaufwärtigen Teiles (11c) des Wandabschnittes (11) ist, so daß zumindest ein Umfangsabschnitt des stromabwärtigen Teiles (11a) des Wandabschnittes (11) eine Strömung der Einlaßluft lenkt, die zwischen dem Einlaßventil (4) und der abgeschrägten Innenfläche (13a) des Ventilsitzes (13) durchgetreten ist und an diesen entlang nach unten strömt, wobei sich die Verlängerung (16) in einer im wesentlichen stromabwärtigen Richtung erstreckt.

2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, wobei zumindest der Umfangsabschnitt des stromabwärtigen Teiles (11a) des Wandabschnittes (11) im wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche (5) des Zylinderkopfes (1) ist.

3. Zylinderkopf nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Einlaßöffnungen (2, 3) aus einer ersten Einlaßöffnung (3) und einer zweiten Einlaßöffnung (2) besteht.

4. Zylinderkopf nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Abschnitt des Zwischenteiles (11b) des Wandabschnittes (11) zwischen seinem stromaufwärtigen und seinem stromabwärtigen Teil (11c, 11a) kontinuierlich gekrümmt ist.

5. Zylinderkopf nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Umfangsabschnitt (11d) des Wandabschnittes (11), der zu der ersten Einlaßöffnung (3) benachbart ist, im wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche (5) des Zylinderkopfes (1) ist.

6. Zylinderkopf nach Anspruch 1, wobei das Einlaßventil (4), das zu der zweiten Einlaßöffnung (2) wirkzugehörig ist, eine stromabwärtig weisende Oberfläche (4a) hat und entlang einer Richtung betätigbar ist, die zu einer senkrecht zu der Oberfläche (5) des Zylinderkopfes (1) stehenden Richtung unter einem Winkel steht.