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WO2018083141A1 - Cylinder head for an internal combustion engine - Google Patents

Cylinder head for an internal combustion engine Download PDF

Info

Publication number
WO2018083141A1
WO2018083141A1 PCT/EP2017/077997 EP2017077997W WO2018083141A1 WO 2018083141 A1 WO2018083141 A1 WO 2018083141A1 EP 2017077997 W EP2017077997 W EP 2017077997W WO 2018083141 A1 WO2018083141 A1 WO 2018083141A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
valve
cylinder head
inlet
chamber
channel
Prior art date
Application number
PCT/EP2017/077997
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Ennio Codan
Original Assignee
Abb Turbo Systems Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Abb Turbo Systems Ag filed Critical Abb Turbo Systems Ag
Publication of WO2018083141A1 publication Critical patent/WO2018083141A1/en

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/46Component parts, details, or accessories, not provided for in preceding subgroups
    • F01L1/462Valve return spring arrangements
    • F01L1/465Pneumatic arrangements
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/46Component parts, details, or accessories, not provided for in preceding subgroups
    • F01L1/462Valve return spring arrangements
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/20Shapes or constructions of valve members, not provided for in preceding subgroups of this group
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/22Valve-seats not provided for in preceding subgroups of this group; Fixing of valve-seats
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present disclosure relates to an improved cylinder head for four-stroke internal combustion engines, in particular for supercharged internal combustion engines with valve control times according to the Miller method, as well as corresponding internal combustion engines.
  • the valve In the closed state, that is with no or with only minimal force of the cam, the valve is held closed by one or more springs.
  • the kinematic chain has a game, ie the parts remain unloaded.
  • the spring should ensure that the entire kinematic chain does not lose contact as this would result in vibration, shock and uncontrolled valve movement.
  • Critical here is the maximum negative acceleration of the valve, which determines the required spring force.
  • the cam determines the valve movement, the spring force causes the contact is not lost, especially in negative acceleration.
  • only the gas and spring forces act on the valve.
  • the gas pressure in the inlet passage above the inlet valve acts on the projected annular area between valve seat and valve stem and generates a force which acts to open the valve.
  • the pressure in the cylinder acts on the circular surface of the valve disk, it generates a force in the direction of the valve closing. If the pressure in the inlet channel is higher than the pressure in the cylinder, there is a resulting gas force in the direction of "opening." Apart from a typically small difference between the two surfaces on the top and bottom of the valve disk, it can be assumed that this Force is proportional to the pressure difference between the intake port and cylinder.
  • the spring force in the closed state of the valve must be greater than the resulting gas force, otherwise the valve tends to an unplanned or uncontrolled opening movement.
  • the spring force normally corresponds to a pressure difference of 1 to 2 bar and is sufficient for conventional engines to keep the valve closed.
  • the Miller process has shown significant potential in recent years and gained in importance.
  • the opening time of the intake valve compared to the standard opening characteristic is considerably reduced, which has the consequence, in particular with high-speed engines, that to maintain the acceleration limit and the maximum valve lift must be reduced.
  • this has the consequence that pressure losses occur in the intake process, which limit the advantage of the Millerreaes.
  • a negative pressure is generated in the cylinder, which can be up to 4 to 5 bar lower than the pressure in front of the intake valve in supercharged engines. This large pressure difference causes the spring force would then tend to be no longer sufficient to keep the valve closed, which can cause significant problems.
  • the object of the invention is achieved by a cylinder head according to claim 1 and an internal combustion engine according to claim 10.
  • a cylinder head for a four-cycle internal combustion engine with charging comprises a cylinder head main body, at least one inlet valve and an associated inlet channel, wherein the inlet valve has a valve disk and is provided in the shaft region with a valve spring which is supported on the cylinder head main body; a first pressure equalization channel between the inlet channel and a chamber in the region of the valve stem of the inlet valve, whereby in operation boost pressure is conducted into the chamber, which exerts a force in the closing direction on the inlet valve.
  • the inlet channel has a cylindrical opening on the valve seat, which at least partially receives the valve disk of the inlet valve in the closed state of the inlet valve, wherein the inlet channel remains closed during a first part of an opening movement of the inlet valve.
  • Embodiments of the invention thus provide a system for actuating the valves which eliminates the need to increase the closed-state holding force that would otherwise be required on turbocharged, Miller-operated engines. On the one hand this is realized by the special design of the valve seat, whereby - in contrast to conventional valve trains - in the first phase of the valve movement still no opening of the valve channel takes place.
  • the valve seat has a cylindrical part in which the valve disk can move without first giving a significant flow area between the cylinder and channel free, which goes beyond the permissible game.
  • the phase of valve acceleration which takes a relatively long time in a conventional system, is thus removed from the effective valve opening curve, so that the valve can effectively open and close at high speed.
  • a surface for example in the form of a disc, a plate or a piston, which is connected to the valve, is acted upon by a pressure equalization channel with the boost pressure in the inlet channel, so that the pressure generates a force closing the valve, which is opposite to the tendency of the charging pressure in the inlet channel to open the valve and largely compensates or overcompensates for this.
  • Fig. 1 shows a cylinder head according to embodiments of the invention, and an enlarged partial view thereof;
  • FIG. 2 schematically shows the graphs of intake and exhaust timing for cylinder heads according to embodiments in comparison with standard control times and Miller process timing;
  • FIG. 3 is a detail view of a valve stem portion of a cylinder head according to embodiments of the invention.
  • Fig. 4 shows a side view of a cylindrical bush, which in the device of
  • Fig. 3 can be used.
  • the term "Miller process” or “Miller method” stands for an operating mode of a four-stroke internal combustion engine in which the opening time, in particular of the intake valve, is significantly shortened, ie the integrated area under the opening curve (plotted above the crank angle ) is at least 30% less than an engine with standard timing, preferably 40% or more lower. This is typically accomplished by reducing the valve lift and prematurely closing the intake valve. That is, the opening curve is no longer, as standard, largely symmetrical in relation to the duration of the intake stroke, but the inlet valve is closed again at the latest about 70%> the path length of the intake stroke.
  • Fig. 1 shows a cylinder head 5 for a four-stroke internal combustion engine.
  • the engine typically has a charge mechanism for the make-up gas, such as one or more exhaust gas turbochargers, a mechanical compressor, or the like.
  • the cylinder head 5 comprises a cylinder head base body 10.
  • the inlet valve 14 has a valve disk 15 and a valve stem 24.
  • the inlet valve 14 is supported on the cylinder head base body 10 via a disk 25 and a valve spring 18 attached to it, the bottom end of the spring 18 on the cylinder head body being shown in FIG. Base 10 rests.
  • the spring is located in a chamber 17 whose upper end is formed by the disc 25.
  • the cylindrical side walls of the chamber 17 may be formed approximately by a bush 27.
  • the side walls of the chamber 17 may also be - except for their upper limit - part of the cylinder head body 10, that is to be integrated in this.
  • the disk 25 can be designed differently in embodiments, in particular as part of a piston, which is explained below.
  • the disk 25 is movable relative to the walls of the chamber 17, ie, it can move up and down in the chamber 17 together with the valve stem 24, but closes off the chamber 17 in a gastight manner.
  • a seal 21 is typically attached to the outer surface of the disc 25 and the piston.
  • the chamber 17 is connected by a first pressure equalization channel 22 with the inlet channel 16 in fluid communication.
  • boost pressure is conducted from the inlet channel 16 into the chamber 17 through the pressure equalization channel 22. That is, the chamber 17 is typically at the same pressure level as the inlet channel 16. In the presence of a boost pressure, this therefore also prevails in the chamber 17 and exerts a force on the inlet valve 14 via the disc 25 or over its surface. This force acts in the closing direction of the inlet valve 14 or tends to cause a closure. It thus counteracts the opening force exerted by the boost pressure in the inlet channel 16 on the upper surface 30 of the valve disk 15.
  • the surface of the disc 25 is designed to correspond approximately to the (pressure) effective area of the upper surface 30 of the valve disk 15.
  • the force effects of the boost pressure on the two surfaces are comparable, and it is pressed with the same amount of the valve plate 15 down and pressed the disc 25 upwards. Therefore, since the active surfaces and the respectively prevailing pressure are largely identical, it results for the intake valve 14 almost complete compensation of the two opposing gas forces caused by the boost pressure.
  • the necessary holding or closing force is significantly reduced by the valve springs - compared to a conventional supercharged engine without the pressure compensation. It can therefore be used smaller-sized valve springs.
  • the reduced pressure in the kinematic chain of the valve train also reduces the frictional forces and, consequently, the drive power of the camshaft. This has a positive influence on the engine efficiency, especially in the partial load range. This improvement is even more pronounced, even if the components of the kinematic chain are dimensioned smaller.
  • the lower surface pressures between the camshaft and valves also tend to increase the life expectancy of the moving parts in the valve train.
  • the described pressure compensation can be used for both intake and exhaust valves.
  • the outlet valve 34 see FIG. 1
  • the gas is hot, aggressive or corrosive and can lead to deposits, which would affect the overall durability of the solution.
  • the construction of the valvetrain at the exhaust valve 34 is otherwise practically equal to that already described for the intake valve, with a valve spring 37, a disc 45, a bushing 47, a valve stem 44, and a valve plate 35.
  • the described reduction of the holding force is particular in embodiments advantageous in connection with the design of the valve seat of the inlet valve 14 in the cylinder head 5.
  • the valve seat is realized such that the end of the inlet channel 16, ie whose confluence with the combustion chamber has a cylindrical opening 23. That is, the last portion of the intake passage at the transition to the cylinder is cylindrical, with a diameter corresponding to the outer diameter of the valve disk 15.
  • the height of the cylindrical opening 23 corresponds approximately to the height of the cylindrical edge of the inlet valve. This is shown enlarged in the detail in FIG. 1. Above, that is upstream in the inlet channel, the inlet channel tapers, with a bevel, which provides a seat or stop for the outer part of the upper surface 30 of the valve disk 15. This design is applied to the exhaust valve 34 in embodiments in the same form.
  • Curve C illustrates a typical intake valve lift according to the Miller method
  • curve D shows a simplified intake valve lift according to embodiments of the invention
  • Curve E shows the course in a standard engine.
  • the dashed parts of the curves A and D show the valve movement during the phase, as long as the valves according to the invention are still closed, as described above.
  • valve seat With the embodiments of the valve seat according to the invention described above, the volumes between the valve disk and the seat, which have the fluidically unfavorable shape of a circumferential groove or slot in a conventional combustion chamber, are reduced to virtually zero. As a result, better combustion efficiencies are to be expected. It is readily apparent that in embodiments, a design can be realized in which the valves in the closed state with the combustion chamber surface are practically aligned.
  • Fig. 3 shows a valve train according to embodiments similar to FIG. 1, wherein the connection between the pressure equalization channel 22 and the chamber 17 at a defined Valve lift of the intake valve 14 is closed.
  • the volume of air trapped in the chamber 17 from closing acts as an air spring.
  • the disk 25 can be embodied, for example, as part of an auxiliary piston 28, which closes the connection to the pressure compensation channel 22 at a certain valve stroke, the pressure equalization channel opening as a slot or circular opening in the side wall of the chamber 17. From this moment acts in the chamber 17 trapped air volume as an air spring, since the pressure with the further movement of the auxiliary piston 28 - ie further increasing valve lift - also increases.
  • the advantage of this design is that the force of the air suspension is strongest at maximum valve lift. Especially in this situation, the highest force is required to keep the valve in contact with the kinematic drive chain.
  • the air suspension can thus be used to dimension the actual valve springs even softer, as they can already be designed by the structure described above with pressure equalization according to embodiments anyway.
  • the maximum force of the air suspension would depend on the charge pressure, since the pressure compensation channel is always separated from the chamber 17 at the same valve lift. Since the boost pressure generally varies with engine load, the spring force exerted by the air in this case may be too small or insufficient at low or minimum engine load. This situation can be improved if the timing at which the auxiliary piston 28 closes the pressure-equalizing passage 22 is made variable depending on the load condition. It is understood that the design of this variability can be realized in various ways. One of several possible variants, which will not be discussed in detail here, comprises a movable cover of the slot, that is the end of the pressure compensation channel.
  • a bushing 47 may comprise a slot 48 made in the circumferential direction of the variable height bushing, as shown in FIG. 4 as a side view.
  • the bushing is typically designed to be rotatable in this case and can be rotated depending on the load, for example by an electric or hydraulic actuator (not shown). In this way it is ensured that the time at which the auxiliary piston 28 closes the pressure equalization channel 22, is changed depending on the load condition.
  • internal combustion engines with, among other things, the following advantages are possible: Due to the optimized course of the valve opening times, the pressure in the cylinder can be reduced more rapidly after opening the exhaust valve, which reduces the piston work in the subsequent exhaust / exhaust phase. The valve overlap can be reduced in size, which leads to a reduction of the amount of mixture flushed over and thus to a reduction in specific fuel consumption and HC emissions.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

A cylinder head (5) for a four-stroke internal combustion engine with supercharging is proposed. It comprises a cylinder head main body (10), at least one inlet valve (14) and an inlet duct (16) which is connected to it, wherein the inlet valve (14) has a valve head (15) and is provided in the stem region with a valve spring (18) which is supported on the cylinder head main body (10); a first pressure equalization duct (22) between the inlet duct (16) and a chamber (17) in the region of the valve stem (24) of the inlet valve (14), as a result of which boost pressure is guided into the chamber (17) during operation, which boost pressure exerts a force on the inlet valve (14) in the closing direction; wherein the inlet duct (16) has, on the valve seat, a cylindrical opening (23) which at least partially receives the valve head (15) of the inlet valve (14) in the closed state of the inlet valve (14), and wherein the inlet duct (16) remains closed during a first part of an opening movement of the inlet valve (14).

Description

ZYLINDERKOPF FÜR EINE BRENNKRAFTMASCHINE  CYLINDER HEAD FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE
Technisches Gebiet Technical area
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen verbesserten Zylinderkopf für Viertakt-Brennkraftmaschinen, dabei insbesondere für aufgeladene Verbrennungsmotoren mit Ventilsteuerungs- zeiten nach dem Millerverfahren, sowie entsprechende Verbrennungsmotoren. The present disclosure relates to an improved cylinder head for four-stroke internal combustion engines, in particular for supercharged internal combustion engines with valve control times according to the Miller method, as well as corresponding internal combustion engines.
Hintergrund der Erfindung Background of the invention
Die meisten Verbrennungsmotoren verwenden Ventile zur Steuerung des Ladungswechselprozesses. Typischerweise werden für Verbrennungsmotoren Tellerventile eingesetzt, welche vollmechanisch betätigt werden, in der Regel unter Verwendung von Nockenwellen. Die Nocken dieser Welle bestimmen über ihre Profilgeometrie die Öffnungs- bzw. Schließposition des Ventils in Abhängigkeit von Kurbelwinkel des betroffenen Zylinders. Eine kinematische Kette sorgt dafür, dass die Bewegung des Nockenprofils an das Ventil übertragen wird. Die zulässige maximale Beschleunigung in der kinematischen Kette, welche von Nockenprofil bzw. -form, Motordrehzahl und Öffnungszeit abhängig ist, bestimmt den maximalen Ventilhub und die Zei- ten zum Öffnen und Schließen der Ventile. Most internal combustion engines use valves to control the gas exchange process. Typically, internal combustion engines employ poppet valves that are fully mechanically actuated, typically using camshafts. The cams of this shaft determine the opening or closing position of the valve as a function of the crank angle of the affected cylinder via its profile geometry. A kinematic chain ensures that the motion of the cam profile is transmitted to the valve. The permissible maximum acceleration in the kinematic chain, which depends on the cam profile or shape, engine speed and opening time, determines the maximum valve lift and the times for opening and closing the valves.
Im geschlossenen Zustand, das heißt ohne oder mit nur minimaler Krafteinwirkung der Nocke, wird das Ventil von einer oder mehreren Federn geschlossen gehalten. In der Regel besitzt die kinematische Kette ein Spiel, d.h. die Teile bleiben unbelastet. In geöffnetem Zustand soll die Feder sicherstellen, dass die ganze kinematische Kette den Kontakt nicht verliert, da dies zu Vibrationen, Stößen und unkontrollierter Ventilbewegung führen würde. Kritisch dabei ist die maximale negative Beschleunigung des Ventils, welche die benötigte Federkraft bestimmt. Die Nocke bestimmt die Ventilbewegung, die Federkraft bewirkt, dass der Kontakt nicht verloren geht, insbesondere bei negativer Beschleunigung. Im geschlossenen Zustand wirken auf das Ventil nur die Gas- und Federkräfte. Der Gasdruck im Einlasskanal über dem Einlassventil wirkt auf die projizierte ringförmige Fläche zwischen Ventilsitz und Ventilschaft und generiert eine Kraft, die auf das Ventil öffnend wirkt. Dagegen wirkt der Druck im Zylinder auf die kreisförmige Fläche des Ventiltellers, er generiert eine Kraft in Richtung der Ventilschließung. Ist der Druck im Einlasskanal höher als der Druck im Zylinder, ergibt sich eine resultierende Gaskraft in Richtung„Öffnen". Abgesehen von einer typischerweise kleinen Differenz der bei- den Flächen auf der Ober- und Unterseite des Ventiltellers kann man annehmen, dass diese Kraft proportional zur Druckdifferenz zwischen Einlasskanal und Zylinder ist. Dabei muss die Federkraft im geschlossenen Zustand des Ventils größer als die resultierende Gaskraft sein, sonst neigt das Ventil zu einer ungeplanten bzw. ungesteuerten Öffnungsbewegung. Die Federkraft entspricht normalerweise einer Druckdifferenz von 1 bis 2 bar und reicht bei konventio- nellen Motoren aus, um das Ventil geschlossen zu halten. In the closed state, that is with no or with only minimal force of the cam, the valve is held closed by one or more springs. In general, the kinematic chain has a game, ie the parts remain unloaded. When opened, the spring should ensure that the entire kinematic chain does not lose contact as this would result in vibration, shock and uncontrolled valve movement. Critical here is the maximum negative acceleration of the valve, which determines the required spring force. The cam determines the valve movement, the spring force causes the contact is not lost, especially in negative acceleration. When closed, only the gas and spring forces act on the valve. The gas pressure in the inlet passage above the inlet valve acts on the projected annular area between valve seat and valve stem and generates a force which acts to open the valve. In contrast, the pressure in the cylinder acts on the circular surface of the valve disk, it generates a force in the direction of the valve closing. If the pressure in the inlet channel is higher than the pressure in the cylinder, there is a resulting gas force in the direction of "opening." Apart from a typically small difference between the two surfaces on the top and bottom of the valve disk, it can be assumed that this Force is proportional to the pressure difference between the intake port and cylinder. The spring force in the closed state of the valve must be greater than the resulting gas force, otherwise the valve tends to an unplanned or uncontrolled opening movement. The spring force normally corresponds to a pressure difference of 1 to 2 bar and is sufficient for conventional engines to keep the valve closed.
Zur Erreichung von guten Motorwirkungsgraden sowie niedrigen NOx-Emissionen in Verbindung mit klopffestem Betrieb hat der Millerprozess in den letzten Jahren ein erhebliches Potential gezeigt und an Bedeutung gewonnen. Um die Steuerzeiten für den optimalen Betrieb mit extremem Millerprozess zu ermöglichen, wird die Öffnungszeit des Einlassventils im Vergleich zur Standard-Öffnungscharakteristik erheblich reduziert, was insbesondere bei schnelllaufenden Motoren zur Konsequenz hat, dass zur Einhaltung der Beschleunigungsgrenze auch der maximale Ventilhub reduziert werden muss. Dies hat jedoch zur Folge, dass Druckverluste im Ansaugvorgang entstehen, welche den Vorteil des Millerprozesses einschränken. Darüber hinaus wird bei Motoren mit extremen Millersteuerzeiten im Zylinder ein Unterdruck erzeugt, welcher bei aufgeladenen Motoren bis zu 4 bis 5 bar niedriger als der Druck vor dem Einlassventil sein kann. Diese große Druckdifferenz führt dazu, dass die Federkraft dann tendenziell nicht mehr ausreichen würde, um das Ventil geschlossen zu halten, was erhebliche Probleme verursachen kann. In order to achieve good engine efficiencies and low NO x emissions in conjunction with knock-resistant operation, the Miller process has shown significant potential in recent years and gained in importance. In order to enable the control times for the optimal operation with extreme Miller process, the opening time of the intake valve compared to the standard opening characteristic is considerably reduced, which has the consequence, in particular with high-speed engines, that to maintain the acceleration limit and the maximum valve lift must be reduced. However, this has the consequence that pressure losses occur in the intake process, which limit the advantage of the Millerprozesses. In addition, in engines with extreme Millersteuerzeiten a negative pressure is generated in the cylinder, which can be up to 4 to 5 bar lower than the pressure in front of the intake valve in supercharged engines. This large pressure difference causes the spring force would then tend to be no longer sufficient to keep the valve closed, which can cause significant problems.
Dieses Problem könnte einfach dadurch gelöst werden, dass stärkere Federn eingesetzt werden, um die Halte- bzw. Schließkraft zu erhöhen. Dies hätte aber mehrere negative Konsequenzen. So ist generell die Federkraft minimal bei geschlossenem Ventil, durch die Verstärkung der Federhärte erhöht sich jedoch die Federkraft bei voll geöffnetem Ventil ebenfalls mindestens um den gleichen Betrag, obwohl diese Krafterhöhung bei geöffnetem Ventil nicht notwendig wäre. Gleichzeitig steigt die Flächenpressung in allen Kontaktstellen der kinematischen Kette, damit steigen die Reibungsverluste des Systems und auch die mechanische Beanspruchung der Teile. Diese negativen Effekte sind zudem bei allen Motorlastzuständen vorhanden, obwohl die größere Haltekraft für das geschlossene Ventil nur im oberen Lastbereich, wo die Aufladung die höchsten Drücke liefert, notwendig wäre. This problem could be solved simply by using stronger springs to increase the holding or closing force. But this would have several negative consequences. Thus, in general, the spring force is minimal when the valve is closed, but by increasing the spring stiffness, the spring force increases at fully open valve also at least by the same amount, although this increase in force would not be necessary with the valve open. At the same time, the surface pressure in all contact points of the kinematic chain increases, thereby increasing the friction losses of the system and also the mechanical stress on the parts. These negative effects are also present at all engine load conditions, although the larger closed-valve holding force would only be needed in the upper load range, where charging provides the highest pressures.
Aus den oben genannten und anderen Gründen besteht Bedarf für die vorliegende Erfindung. Zusammenfassung der Erfindung For the above and other reasons, there is a need for the present invention. Summary of the invention
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Zylinderkopf gemäß Anspruch 1 und einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 10. The object of the invention is achieved by a cylinder head according to claim 1 and an internal combustion engine according to claim 10.
In einem Aspekt der Erfindung wird ein Zylinderkopf für einen Viertakt- Verbrennungsmotor mit Aufladung vorgeschlagen. Er umfasst einen Zylinderkopf-Grundkörper, mindestens ein Einlassventil und einen damit verbundenen Einlasskanal, wobei das Einlassventil einen Ventilteller aufweist und im Schaftbereich mit einer Ventilfeder versehen ist, die am Zylinderkopf- Grundkörper abgestützt ist; ferner einen ersten Druckausgleichskanal zwischen dem Einlasskanal und einer Kammer im Bereich des Ventilschaftes des Einlassventils, wodurch im Betrieb Ladedruck in die Kammer geleitet wird, der eine Kraft in Schließrichtung auf das Einlassventil ausübt. Dabei weist der Einlasskanal am Ventilsitz eine zylindrische Öffnung auf, die den Ventilteller des Einlassventils im geschlossenen Zustand des Einlassventils mindestens teilweise aufnimmt, wobei der Einlasskanal während eines ersten Teils einer Öffnungsbewegung des Einlassventils geschlossen bleibt. In Ausführungsformen der Erfindung wird somit ein System zur Betätigung der Ventile vorgeschlagen, welches eine Erhöhung der Haltekraft für die Ventile im geschlossenen Zustand unnötig macht, die ansonsten bei aufgeladenen, nach dem Miller- Verfahren betriebenen Motoren erforderlich sein kann. Zum einen wird dies durch die spezielle Ausgestaltung des Ventilsitzes realisiert, wodurch - im Gegensatz zu konventionellen Ventiltrieben - in der ersten Phase der Ventilbewegung noch keine Öffnung des Ventilkanals stattfindet. Dazu hat der Ventilsitz einen zylindrischen Teil, in dem der Ventilteller sich bewegen kann, ohne zunächst eine signifikante Strömungsfläche zwischen Zylinder und Kanal frei zu geben, die über das zulässige Spiel hinausgeht. Die Phase der Ventilbeschleunigung, die in einem konventionellen System relativ viel Zeit in Anspruch nimmt, wird somit von der effektiven Ventilöffnungskurve weggenommen, so dass das Ventil effektiv mit hoher Geschwindigkeit öffnen und schließen kann. In one aspect of the invention, a cylinder head for a four-cycle internal combustion engine with charging is proposed. It comprises a cylinder head main body, at least one inlet valve and an associated inlet channel, wherein the inlet valve has a valve disk and is provided in the shaft region with a valve spring which is supported on the cylinder head main body; a first pressure equalization channel between the inlet channel and a chamber in the region of the valve stem of the inlet valve, whereby in operation boost pressure is conducted into the chamber, which exerts a force in the closing direction on the inlet valve. In this case, the inlet channel has a cylindrical opening on the valve seat, which at least partially receives the valve disk of the inlet valve in the closed state of the inlet valve, wherein the inlet channel remains closed during a first part of an opening movement of the inlet valve. Embodiments of the invention thus provide a system for actuating the valves which eliminates the need to increase the closed-state holding force that would otherwise be required on turbocharged, Miller-operated engines. On the one hand this is realized by the special design of the valve seat, whereby - in contrast to conventional valve trains - in the first phase of the valve movement still no opening of the valve channel takes place. For this purpose, the valve seat has a cylindrical part in which the valve disk can move without first giving a significant flow area between the cylinder and channel free, which goes beyond the permissible game. The phase of valve acceleration, which takes a relatively long time in a conventional system, is thus removed from the effective valve opening curve, so that the valve can effectively open and close at high speed.
Zum anderen wird erfindungsgemäß im Schaftbereich des Ventils eine Fläche - etwa in Form einer Scheibe, eines Tellers oder Kolbens - die mit dem Ventil verbunden ist, durch einen Druckausgleichskanal mit dem Ladedruck im Einlasskanal beaufschlagt, so dass der Druck eine das Ventil schließende Kraft erzeugt, die der tendenziell Ventil-öffnenden Kraft des Lade- drucks im Einlasskanal entgegengesetzt ist und diese weitgehend kompensiert oder überkompensiert. Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden ausführlichen Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen des Systems vorgestellt. On the other hand, according to the invention, in the shaft region of the valve, a surface, for example in the form of a disc, a plate or a piston, which is connected to the valve, is acted upon by a pressure equalization channel with the boost pressure in the inlet channel, so that the pressure generates a force closing the valve, which is opposite to the tendency of the charging pressure in the inlet channel to open the valve and largely compensates or overcompensates for this. Further features and advantages of the present invention are presented in the following detailed description of preferred embodiments of the system.
Kurze Beschreibung der Figuren Brief description of the figures
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann anhand der ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den angehängten Figuren ersichtlich. Dabei zeigen: Other features and advantages of the present invention will become apparent to those skilled in the art upon reference to the detailed description taken in conjunction with the appended drawings. Showing:
Fig. 1 zeigt einen Zylinderkopf gemäß Ausführungsformen der Erfindung, sowie eine vergrößerte Teilansicht daraus; Fig. 1 shows a cylinder head according to embodiments of the invention, and an enlarged partial view thereof;
Fig. 2 zeigt schematisch die Verläufe von Einlass- und Auslasssteuerzeiten für Zylinderköpfe gemäß Ausführungsformen im Vergleich zu Standard- Steuerzeiten und Steuerzeiten für den Millerprozess; FIG. 2 schematically shows the graphs of intake and exhaust timing for cylinder heads according to embodiments in comparison with standard control times and Miller process timing; FIG.
Fig. 3 zeigt eine Detailansicht eines Ventilschaftbereichs aus einem Zylinderkopf gemäß Ausführungsformen der Erfindung; 3 is a detail view of a valve stem portion of a cylinder head according to embodiments of the invention;
Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht einer zylindrischen Buchse, die in der Vorrichtung derFig. 4 shows a side view of a cylindrical bush, which in the device of
Fig. 3 eingesetzt werden kann. Fig. 3 can be used.
Detaillierte Beschreibung Detailed description
Auch wenn bevorzugte Ausführungsformen beschrieben werden, ist der Schutzbereich der Erfindung nicht auf dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst auch für den Fachmann naheliegende Ausführungsformen. Although preferred embodiments are described, the scope of the invention is not limited to the illustrated embodiments, but also includes embodiments obvious to those skilled in the art.
So wie er in dieser Offenbarung verwendet wird, steht der Begriff„Millerprozess" oder„Millerverfahren" für einen Betriebsmodus eines Viertakt- Verbrennungsmotors, bei dem die Öffnungszeit insbesondere des Einlassventils signifikant verkürzt ist, d.h. die integrierte Fläche unter der Öffnungskurve (über dem Kurbelwinkel aufgetragen) ist mindestens 30% geringer als bei einem Motor mit Standard- Steuerzeiten, bevorzugt um 40% oder mehr geringer. Dies wird typischerweise durch eine Verringerung des Ventilhubs und eine frühzeitige Schließung des Einlassventils bewirkt. D.h. die Öffnungskurve ist nicht mehr, wie standardmäßig, weitgehend symmetrisch im Verhältnis zur Dauer des Einlasshubs, sondern das Einlassventil ist bereits bei spätestens etwa 70%> der Weglänge des Einlasshubs wieder geschlossen. Fig. 1 zeigt einen Zylinderkopf 5 für einen Viertakt- Verbrennungsmotor. Der Motor besitzt typischerweise einen Aufladungsmechanismus für das Frischgas, etwa einen oder mehrere Abgasturbolader, einen mechanischen Kompressor, oder ähnliches. Der Zylinderkopf 5 umfasst einen Zylinderkopf-Grundkörper 10. In diesem ist mindestens ein Einlassventil 14 pro Zylinder vorgesehen. Das Einlassventil 14 weist einen Ventilteller 15 auf sowie einen Ventilschaft 24. Im Schaftbereich ist das Einlassventil 14 über eine daran befestigte Scheibe 25 und eine Ventilfeder 18 am Zylinderkopf-Grundkörper 10 abgestützt, wobei in Fig. 1 das untere Ende der Feder 18 am Zylinderkopf-Grundkörper 10 aufliegt. Die Feder befindet sich in einer Kammer 17, deren oberes Ende durch die Scheibe 25 gebildet ist. Die zylindrischen Seitenwände der Kammer 17 können etwa durch eine Buchse 27 gebildet sein. Die Seitenwände der Kammer 17 können auch - bis auf ihre obere Begrenzung - Teil des Zylinderkopf-Grundkörpers 10 sein, das heißt in diesen integriert sein. Die Scheibe 25 kann in Ausführungsbeispielen unterschiedlich ausgeführt sein, insbesondere auch als Teil eines Kolbens, was noch weiter unten ausgeführt ist. Die Scheibe 25 ist beweglich zu den Wänden der Kammer 17, d.h. kann sich zusam- men mit dem Ventilschaft 24 in der Kammer 17 auf- und abbewegen, wobei sie jedoch die Kammer 17 gasdicht abschließt. Dazu ist typischerweise eine Dichtung 21 an der Außenfläche der Scheibe 25 bzw. des Kolbens angebracht. As used in this disclosure, the term "Miller process" or "Miller method" stands for an operating mode of a four-stroke internal combustion engine in which the opening time, in particular of the intake valve, is significantly shortened, ie the integrated area under the opening curve (plotted above the crank angle ) is at least 30% less than an engine with standard timing, preferably 40% or more lower. This is typically accomplished by reducing the valve lift and prematurely closing the intake valve. That is, the opening curve is no longer, as standard, largely symmetrical in relation to the duration of the intake stroke, but the inlet valve is closed again at the latest about 70%> the path length of the intake stroke. Fig. 1 shows a cylinder head 5 for a four-stroke internal combustion engine. The engine typically has a charge mechanism for the make-up gas, such as one or more exhaust gas turbochargers, a mechanical compressor, or the like. The cylinder head 5 comprises a cylinder head base body 10. In this at least one inlet valve 14 per cylinder is provided. The inlet valve 14 has a valve disk 15 and a valve stem 24. In the shaft region, the inlet valve 14 is supported on the cylinder head base body 10 via a disk 25 and a valve spring 18 attached to it, the bottom end of the spring 18 on the cylinder head body being shown in FIG. Base 10 rests. The spring is located in a chamber 17 whose upper end is formed by the disc 25. The cylindrical side walls of the chamber 17 may be formed approximately by a bush 27. The side walls of the chamber 17 may also be - except for their upper limit - part of the cylinder head body 10, that is to be integrated in this. The disk 25 can be designed differently in embodiments, in particular as part of a piston, which is explained below. The disk 25 is movable relative to the walls of the chamber 17, ie, it can move up and down in the chamber 17 together with the valve stem 24, but closes off the chamber 17 in a gastight manner. For this purpose, a seal 21 is typically attached to the outer surface of the disc 25 and the piston.
Die Kammer 17 steht durch einen ersten Druckausgleichskanal 22 mit dem Einlasskanal 16 in fluidaler Verbindung. Durch den Druckausgleichskanal 22 wird im Betrieb Ladedruck aus dem Einlasskanal 16 in die Kammer 17 geleitet. Das heißt, die Kammer 17 befindet sich typischerweise auf demselben Druckniveau wie der Einlasskanal 16. Bei Vorhandensein eines Ladedrucks herrscht dieser somit auch in der Kammer 17 und übt über die Scheibe 25 bzw. über deren Fläche eine Kraft auf das Einlassventil 14 aus. Diese Kraft wirkt in Schließrichtung des Einlassventils 14 bzw. bewirkt tendenziell eine Schließung. Sie wirkt damit der öffnenden Kraft entgegen, die der Ladedruck im Einlasskanal 16 auf die obere Fläche 30 des Ventiltellers 15 ausübt. Typischerweise ist die Fläche der Scheibe 25 konstruktiv so ausgelegt, dass sie ungefähr der (Druck-) Wirkfläche der oberen Fläche 30 des Ventiltellers 15 entspricht. Somit sind die Kraftwirkungen des Ladedrucks auf die beiden Flächen vergleichbar, und es wird mit dem gleichen Betrag der Ventilteller 15 nach unten gedrückt und die Scheibe 25 nach oben gedrückt. Es ergibt sich daher - da die Wirkflächen sowie der jeweils herrschende Druck weitgehend identisch sind - für das Einlassventil 14 ein nahezu vollständiger Ausgleich der beiden durch den Ladedruck hervorgerufenen, entgegengesetzt wirkenden Gaskräfte. Durch die oben beschriebene Ausführung wird die notwendige Halte- bzw. Schließkraft durch die Ventilfedern - im Vergleich zu einem konventionellen aufgeladenen Motor ohne den Druckausgleich - wesentlich reduziert. Es lassen sich daher geringer dimensionierte Ventilfedern einsetzen. Durch die reduzierte Pressung in der kinematischen Kette des Ventiltriebs wer- den die Reibungskräfte und demzufolge die Antriebsleistung der Nockenwelle ebenfalls reduziert. Dies hat einen positiven Einfiuss auf den Motorwirkungsgrad, insbesondere im Teillastbereich. Noch stärker fällt diese Verbesserung aus, wenn auch die Komponenten der kinematischen Kette kleiner dimensioniert werden. Durch die geringeren Flächendrücke zwischen Nockenwelle und Ventilen ist zudem tendenziell auch eine höhere Lebensdauer der beweglichen Teile im Ventiltrieb zu erwarten. The chamber 17 is connected by a first pressure equalization channel 22 with the inlet channel 16 in fluid communication. During operation, boost pressure is conducted from the inlet channel 16 into the chamber 17 through the pressure equalization channel 22. That is, the chamber 17 is typically at the same pressure level as the inlet channel 16. In the presence of a boost pressure, this therefore also prevails in the chamber 17 and exerts a force on the inlet valve 14 via the disc 25 or over its surface. This force acts in the closing direction of the inlet valve 14 or tends to cause a closure. It thus counteracts the opening force exerted by the boost pressure in the inlet channel 16 on the upper surface 30 of the valve disk 15. Typically, the surface of the disc 25 is designed to correspond approximately to the (pressure) effective area of the upper surface 30 of the valve disk 15. Thus, the force effects of the boost pressure on the two surfaces are comparable, and it is pressed with the same amount of the valve plate 15 down and pressed the disc 25 upwards. Therefore, since the active surfaces and the respectively prevailing pressure are largely identical, it results for the intake valve 14 almost complete compensation of the two opposing gas forces caused by the boost pressure. By the embodiment described above, the necessary holding or closing force is significantly reduced by the valve springs - compared to a conventional supercharged engine without the pressure compensation. It can therefore be used smaller-sized valve springs. The reduced pressure in the kinematic chain of the valve train also reduces the frictional forces and, consequently, the drive power of the camshaft. This has a positive influence on the engine efficiency, especially in the partial load range. This improvement is even more pronounced, even if the components of the kinematic chain are dimensioned smaller. The lower surface pressures between the camshaft and valves also tend to increase the life expectancy of the moving parts in the valve train.
Der beschriebene Druckausgleich kann sowohl für Einlass- als auch für Auslassventile verwendet werden. Im Falle des Auslassventils 34 (siehe Fig. 1) ist es zweckmäßig, den Ausgleich ebenso wie beim Einlassventil 14 mittels einem zweiten Druckausgleichskanal 32 zu realisieren, der den Druck im Einlasskanal 16 in die zweite Kammer 37 leitet. Der Ausgleich mit Gas aus dem Auslasskanal wäre zwar theoretisch möglich, aber das Gas ist heiß, aggressiv bzw. korrosiv und kann zu Ablagerungen führen, was die Gesamthaltbarkeit der Lösung beeinträchtigen würde. Der Aufbau des Ventiltriebs beim Auslassventil 34 ist sonst praktisch gleich zu dem bereits beschriebenen für das Einlassventil, mit einer Ventilfeder 37, einer Scheibe 45, einer Buchse 47, einem Ventilschaft 44, und einem Ventilteller 35. Die beschriebene Verringerung der Haltekraft ist in Ausführungsformen besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit der Gestaltung des Ventilsitzes des Einlassventils 14 im Zylinderkopf 5. Der Ventilsitz ist derart realisiert, dass das Ende des Einlasskanals 16, d.h. dessen Einmündung in den Brennraum, eine zylindrische Öffnung 23 aufweist. Das heißt, der letzte Abschnitt des Einlasskanals beim Übergang in den Zylinder ist zylindrisch, mit einem Durchmesser, der dem Außendurchmesser des Ventiltellers 15 entspricht. Die Höhe der zylindrischen Öffnung 23 entspricht etwa der Höhe des zylindrischen Randes des Einlassventils. Dies ist in dem Ausschnitt in Fig. 1 vergrößert dargestellt. Oberhalb, das heißt stromaufwärts im Einlasskanal, verjüngt sich der Einlasskanal, mit einer Schrägung, die einen Sitz bzw. Anschlag für den Außenteil der oberen Fläche 30 des Ventiltellers 15 bietet. Diese Gestaltung wird in Ausführungsbei- spielen in gleicher Form beim Auslassventil 34 angewendet. The described pressure compensation can be used for both intake and exhaust valves. In the case of the outlet valve 34 (see FIG. 1), it is expedient to realize the equalization as well as the inlet valve 14 by means of a second pressure equalization channel 32 which directs the pressure in the inlet channel 16 into the second chamber 37. Although compensation with gas from the exhaust duct would theoretically be possible, the gas is hot, aggressive or corrosive and can lead to deposits, which would affect the overall durability of the solution. The construction of the valvetrain at the exhaust valve 34 is otherwise practically equal to that already described for the intake valve, with a valve spring 37, a disc 45, a bushing 47, a valve stem 44, and a valve plate 35. The described reduction of the holding force is particular in embodiments advantageous in connection with the design of the valve seat of the inlet valve 14 in the cylinder head 5. The valve seat is realized such that the end of the inlet channel 16, ie whose confluence with the combustion chamber has a cylindrical opening 23. That is, the last portion of the intake passage at the transition to the cylinder is cylindrical, with a diameter corresponding to the outer diameter of the valve disk 15. The height of the cylindrical opening 23 corresponds approximately to the height of the cylindrical edge of the inlet valve. This is shown enlarged in the detail in FIG. 1. Above, that is upstream in the inlet channel, the inlet channel tapers, with a bevel, which provides a seat or stop for the outer part of the upper surface 30 of the valve disk 15. This design is applied to the exhaust valve 34 in embodiments in the same form.
Die beschriebene Gestaltung bewirkt, dass in einer ersten Phase der Ventilbewegung keine Öffnung des Ventilkanals stattfindet. Das heißt, das Ventil bewegt sich, doch das Zusammenwirken des Ventiltellers 15 und der zylindrischen Öffnung 23 verhindert zunächst, dass eine signifikante - das heißt über das vorhandene mechanische Spiel hinausgehende - Strömungsfläche zwischen Zylinder und Einlasskanal freigegeben wird. Die Phase der Ventilbeschleunigung, die in einem konventionellen System erhebliche Zeit benötigt, wird auf diese Weise von der effektiven Ventilöffnungskurve weggenommen. Als Resultat werden die effektive Öffnung und Schließung des Ventils mit höherer Geschwindigkeit vorgenommen. Dies ist in Fig. 2 dargestellt. Dabei zeigt Kurve A einen typischen Verlauf des Hubs des Auslassventils gemäß Ausführungsformen der Erfindung. Kurve B zeigt dagegen den Verlauf des Auslassventilhubs bei einem Standardmotor oder einem Motor nach dem Millerverfahren. In Kurve C ist ein typischer Einlassventilhub nach dem Millerverfahren dargestellt, während Kurve D einen besipielhaften Einlassventilhub gemäß Ausführungsformen der Erfindung zeigt. Kurve E zeigt den Verlauf bei einem Standardmotor. Die gestrichelten Teile der Kurven A und D zeigen die Ventilbewegung während der Phase, solange die erfindungsgemäßen Ventile noch geschlossen sind, wie oben beschrieben. Durch diese optimierten Verläufe des Ventilhubs bzw. der Ventilflächen sind, in einem nicht- limitierenden Beispiel, etwa bei einem Gasmotor mit Vormischung folgende Vorteile erwarten: Nach dem Öffnen des Auslassventils wird der Druck im Zylinder schneller reduziert, was die Kolbenarbeit in der nachfolgenden Ausschiebephase reduziert. Die Ventilüberschneidung kann verkleinert werden, was zu einer Reduktion der überspülten Mischungsmenge führt. Dadurch sinken der Brennstoffverbrauch sowie die HC-Emissionen. Am Ende des Ladungswechsels sind zudem Druck und Temperatur niedriger als im Referenzfall, weil mehr Arbeit an den Kolben abgegeben wird. Man nähert sich dem idealen Millerprozess an, wo die angesaugte Ladung vom Ladedruck aus expandiert, und nicht gedrosselt wird. The design described causes no opening of the valve channel takes place in a first phase of the valve movement. That is, the valve is moving, but the interaction The valve disk 15 and the cylindrical opening 23 initially prevents a significant flow area between the cylinder and the inlet channel, that is, beyond the existing mechanical clearance, being released. The phase of valve acceleration, which takes considerable time in a conventional system, is thus removed from the effective valve opening curve. As a result, the effective opening and closing of the valve are made at a higher speed. This is shown in FIG. 2. Curve A shows a typical course of the lift of the exhaust valve according to embodiments of the invention. Curve B, on the other hand, shows the course of the exhaust valve lift in a standard engine or a Miller engine. Curve C illustrates a typical intake valve lift according to the Miller method, while curve D shows a simplified intake valve lift according to embodiments of the invention. Curve E shows the course in a standard engine. The dashed parts of the curves A and D show the valve movement during the phase, as long as the valves according to the invention are still closed, as described above. By means of these optimized courses of the valve lift or the valve surfaces, the following advantages are expected in a non-limiting example, for example with a gas engine with premix: After opening the exhaust valve, the pressure in the cylinder is reduced faster, which reduces the piston work in the subsequent push-out phase , The valve overlap can be reduced, which leads to a reduction of the over-flushed mixing quantity. This reduces fuel consumption and HC emissions. At the end of the charge cycle, pressure and temperature are lower than in the reference case, because more work is done to the piston. One approaches the ideal Miller process, where the sucked charge expands from the boost pressure and is not throttled.
Mit den oben beschriebenen Ausführungsformen des Ventilsitzes gemäß Erfindung werden zu- dem die Volumina zwischen Ventilteller und Sitz, welche in einem konventionellen Brennraum die strömungstechnisch ungünstige Form einer umlaufenden Rille bzw. eines Schlitzes aufweisen, praktisch auf null reduziert. Dadurch sind ferner bessere Wirkungsgrade der Verbrennung zu erwarten. Es ist ohne weiteres einsichtig, dass sich in Ausführungsformen eine Gestaltung realisieren lässt, bei der die Ventile im geschlossenen Zustand mit der Brennraumoberfläche praktisch fluchten. With the embodiments of the valve seat according to the invention described above, the volumes between the valve disk and the seat, which have the fluidically unfavorable shape of a circumferential groove or slot in a conventional combustion chamber, are reduced to virtually zero. As a result, better combustion efficiencies are to be expected. It is readily apparent that in embodiments, a design can be realized in which the valves in the closed state with the combustion chamber surface are practically aligned.
Die Fig. 3 zeigt einen Ventiltrieb gemäß Ausführungsbeispielen ähnlich der Fig. 1, wobei die Verbindung zwischen dem Druckausgleichskanal 22 und der Kammer 17 bei einem definierten Ventilhub des Einlassventils 14 geschlossen wird. Bei weiter steigendem Ventilhub wirkt das ab dem Schließen in der Kammer 17 eingeschlossene Luftvolumen als Luftfeder. Dazu kann etwa die Scheibe 25 als Teil eines Hilfskolbens 28 ausgeführt sein, der die Verbindung zum Druckausgleichskanal 22 bei einem bestimmten Ventilhub schließt, wobei der Druckaus- gleichskanal als Schlitz oder kreisförmige Öffnung in der Seitenwand der Kammer 17 mündet. Ab diesem Moment wirkt das in der Kammer 17 eingeschlossene Luftvolumen als Luftfeder, da der Druck mit der weiteren Bewegung des Hilfskolbens 28 - also weiter steigendem Ventilhub - ebenfalls steigt. Der Vorteil dieser Ausführung ist, dass so beim maximalen Ventilhub die Kraft der Luftfederung am stärksten ist. Gerade in dieser Situation wird auch die höchste Kraft benötigt, um das Ventil in Kontakt mit der kinematischen Antriebskette zu halten. Die Luftfederung kann somit eingesetzt werden, um die eigentlichen Ventilfedern noch weicher zu dimensionieren, als sie ohnehin bereits durch den weiter oben beschriebenen Aufbau mit Druckausgleich gemäß Ausführungsformen ausgelegt werden können. Fig. 3 shows a valve train according to embodiments similar to FIG. 1, wherein the connection between the pressure equalization channel 22 and the chamber 17 at a defined Valve lift of the intake valve 14 is closed. As the valve lift continues to increase, the volume of air trapped in the chamber 17 from closing acts as an air spring. For this purpose, the disk 25 can be embodied, for example, as part of an auxiliary piston 28, which closes the connection to the pressure compensation channel 22 at a certain valve stroke, the pressure equalization channel opening as a slot or circular opening in the side wall of the chamber 17. From this moment acts in the chamber 17 trapped air volume as an air spring, since the pressure with the further movement of the auxiliary piston 28 - ie further increasing valve lift - also increases. The advantage of this design is that the force of the air suspension is strongest at maximum valve lift. Especially in this situation, the highest force is required to keep the valve in contact with the kinematic drive chain. The air suspension can thus be used to dimension the actual valve springs even softer, as they can already be designed by the structure described above with pressure equalization according to embodiments anyway.
Mit einer festen Schlitzgeometrie wäre die maximale Kraft der Luftfederung vom Ladedruck abhängig, da der Druckausgleichskanal immer beim gleichen Ventilhub von der Kammer 17 abgetrennt wird. Da der Ladedruck generell mit der Motorlast variiert, kann die durch die Luft ausgeübte Federkraft in diesem Fall bei geringer oder minimaler Motorlast zu klein bzw. ungenügend sein. Diese Situation kann verbessert werden, wenn der Zeitpunkt, in dem der Hilfskolben 28 den Druckausgleichskanal 22 schließt, abhängig vom Lastzustand variabel gestaltet ist. Es versteht sich, dass die Gestaltung dieser Variabilität auf verschiedene Weise realisiert werden kann. Eine von mehreren möglichen Varianten, auf die hier nicht im Detail eingegangen werden soll, umfasst eine bewegliche Abdeckung des Schlitzes, also des Endes des Druckausgleichskanals. Insbesondere kann eine Buchse 47 einen Schlitz 48 umfassen, der in Umfangs- richtung der Buchse mit variabler Höhe ausgeführt ist, wie in Fig. 4 als Seitenansicht gezeigt. Die Buchse ist in diesem Fall typischerweise drehbar ausgelegt und kann etwa von einem elektrischen oder hydraulischen Steller (nicht gezeigt) lastabhängig verdreht werden. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass der Zeitpunkt, an dem der Hilfskolben 28 den Druckausgleichskanal 22 schließt, abhängig vom Lastzustand verändert wird. With a fixed slot geometry, the maximum force of the air suspension would depend on the charge pressure, since the pressure compensation channel is always separated from the chamber 17 at the same valve lift. Since the boost pressure generally varies with engine load, the spring force exerted by the air in this case may be too small or insufficient at low or minimum engine load. This situation can be improved if the timing at which the auxiliary piston 28 closes the pressure-equalizing passage 22 is made variable depending on the load condition. It is understood that the design of this variability can be realized in various ways. One of several possible variants, which will not be discussed in detail here, comprises a movable cover of the slot, that is the end of the pressure compensation channel. In particular, a bushing 47 may comprise a slot 48 made in the circumferential direction of the variable height bushing, as shown in FIG. 4 as a side view. The bushing is typically designed to be rotatable in this case and can be rotated depending on the load, for example by an electric or hydraulic actuator (not shown). In this way it is ensured that the time at which the auxiliary piston 28 closes the pressure equalization channel 22, is changed depending on the load condition.
Gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung sind Verbrennungsmotoren mit, unter anderem, folgenden Vorteilen möglich: Durch die optimierten Verläufe der Ventilöffnungszeiten kann nach Öffnen des Auslassventils der Druck im Zylinder schneller reduziert werden, was die Kolbenarbeit in der nachfolgenden Ausschiebe-/ Auslassphase reduziert. Die Ventilüberschneidung kann verkleinert werden, was zu einer Reduktion der überspülten Mischungsmenge führt und somit zu einer Senkung des spezifischen Brennstoffverbrauchs und der HC-Emissionen. According to exemplary embodiments of the invention, internal combustion engines with, among other things, the following advantages are possible: Due to the optimized course of the valve opening times, the pressure in the cylinder can be reduced more rapidly after opening the exhaust valve, which reduces the piston work in the subsequent exhaust / exhaust phase. The valve overlap can be reduced in size, which leads to a reduction of the amount of mixture flushed over and thus to a reduction in specific fuel consumption and HC emissions.
Am Ende eines Ladungswechsels sind zudem Druck und Temperatur niedriger als im Referenzfall eines Standardmotors, weil mehr Arbeit an den Kolben abgegeben wird. Man nähert sich dem idealem Millerverfahren an, das heißt die angesaugte Ladung wird vom Ladedruck aus expandiert und nicht gedrosselt. Die standardmäßig vorhandenen Volumina zwischen Ventilteller und Sitz in Form von Schlitzen, welche dem Brennraum eine ungünstige Form geben, sind praktisch auf Null reduziert. Dies führt zu besserer Verbrennung und auch höherem Wirkungsgrad. Durch die Ausführung mittels Druckausgleich im Schaftbereich wird die notwendige Haltekraft durch die Ventilfedern wesentlich reduziert und die Ventilfedern lassen sich kleiner dimensionieren. Durch die folgende reduzierte Pressung werden die Reibungskräfte und demzufolge die Antriebsleistung der Nockenwelle ebenfalls reduziert, was einen positiven Einfluss auf den Motorwirkungsgrad ausübt, insbesondere im Teillastbereich. Noch stärker fällt dieser Einfluss ein, wenn auch die Komponenten der kinematischen Kette, also Nocken( welle), Kipphebel, ggf. Stangenstößel oder Tassenstößel, kleiner gestaltet werden können. At the end of a charge cycle, pressure and temperature are lower than in the reference case of a standard engine because more work is done to the piston. It approaches the ideal Miller process, that is, the sucked charge is expanded by the boost pressure and not throttled. The standard existing volumes between valve disk and seat in the form of slots, which give the combustion chamber an unfavorable shape, are reduced to virtually zero. This leads to better combustion and also higher efficiency. Due to the design by means of pressure compensation in the shaft area, the necessary holding force is significantly reduced by the valve springs and the valve springs can be made smaller. The following reduced pressure also reduces the frictional forces and, as a result, the drive power of the camshaft, which has a positive influence on the engine efficiency, in particular in the part-load range. This influence is even more pronounced, although the components of the kinematic chain, ie cam (shaft), rocker arm, possibly rod ram or bucket tappet, can be made smaller.

Claims

Patentansprüche claims
Zylinderkopf (5) für einen Viertakt- Verbrennungsmotor mit Aufladung, umfassend: einen Zylinderkopf-Grundkörper (10), A cylinder head (5) for a four-cycle internal combustion engine with charge, comprising: a cylinder head base (10),
mindestens ein Einlassventil (14) und einen damit verbundenen Einlasskanal (16), wobei das Einlassventil (14) einen Ventilteller (15) aufweist und im Schaftbereich mit einer Ventilfeder (18) versehen ist, die am Zylinderkopf- Grundkörper (10) abgestützt ist;  at least one inlet valve (14) and an associated inlet channel (16), wherein the inlet valve (14) has a valve plate (15) and is provided in the shaft region with a valve spring (18) which is supported on the cylinder head base (10);
einen ersten Druckausgleichskanal (22) zwischen dem Einlasskanal (16) und einer Kammer (17) im Bereich des Ventilschaftes (24) des Einlassventils (14), wodurch im Betrieb Ladedruck in die Kammer (17) geleitet wird, der eine Kraft in Schließrichtung auf das Einlassventil (14) ausübt;  a first pressure equalization channel (22) between the inlet channel (16) and a chamber (17) in the region of the valve stem (24) of the inlet valve (14), whereby in operation boost pressure in the chamber (17) is passed, the force in the closing direction the inlet valve (14) exerts;
wobei der Einlasskanal (16) am Ventilsitz eine zylindrische Öffnung (23) aufweist, die den Ventilteller (15) des Einlassventils (14) im geschlossenen Zustand des Einlassventils (14) mindestens teilweise aufnimmt, und wobei der Einlasskanal (16) während eines ersten Teils einer Öffnungsbewegung des Einlassventils (14) geschlossen bleibt.  wherein the inlet channel (16) on the valve seat has a cylindrical opening (23) which at least partially houses the valve plate (15) of the inlet valve (14) in the closed state of the inlet valve (14), and wherein the inlet channel (16) during a first part an opening movement of the inlet valve (14) remains closed.
Zylinderkopf nach Anspruch 1, wobei der Ladedruck in der Kammer (17) über eine am Ventilschaft (24) befestigte Scheibe (25), die das obere Ende der Kammer (17) bildet, eine schließende Kraft auf das Einlassventil (14) ausübt, die ausgelegt ist, eine das Einlassventil (14) öffnende Kraft durch den Ladedruck im Einlasskanal (16) zumindest teilweise zu kompensieren. A cylinder head according to claim 1, wherein the boost pressure in the chamber (17) exerts a closing force on the intake valve (14) via a disc (25) secured to the valve stem (24) forming the upper end of the chamber (17) is designed to at least partially compensate for a force opening the inlet valve (14) by the boost pressure in the inlet channel (16).
3. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zylinderkopf (5) verkürzte Ventileinlass-Zeiten nach dem Miller- Verfahren aufweist. 3. Cylinder head according to one of the preceding claims, wherein the cylinder head (5) has shortened valve inlet times by the Miller method.
4. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbindung zwischen dem Druckausgleichskanal (22) und der Kammer (17) bei einem definierten Ventilhub des Einlassventils (14) geschlossen wird, und bei weiter steigendem Ventilhub das in der Kammer (17) eingeschlossene Luftvolumen als Luftfeder wirkt. 4. Cylinder head according to one of the preceding claims, wherein the connection between the pressure equalization channel (22) and the chamber (17) at a defined valve lift of the inlet valve (14) is closed, and with further increasing valve lift in the chamber (17) trapped air volume acts as an air spring.
5. Zylinderkopf nach Anspruch 4, wobei die Verbindung durch eine Öffnung (48) in der Umfangswand der Kammer (17) gesteuert ist. 5. Cylinder head according to claim 4, wherein the connection through an opening (48) in the peripheral wall of the chamber (17) is controlled.
6. Zylinderkopf nach Anspruch 5, wobei die Öffnung (48) in der Umfangswand mit einem Hilfskolben (28) zusammenwirkt, der am Ventilschaft (24) befestigt ist. 6. Cylinder head according to claim 5, wherein the opening (48) in the peripheral wall with an auxiliary piston (28) cooperates, which is fixed to the valve stem (24).
7. Zylinderkopf nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Öffnung (28) eine variable Geometrie aufweist. 7. Cylinder head according to claim 5 or 6, wherein the opening (28) has a variable geometry.
8. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei der Zeitpunkt des Schließens der Verbindung lastabhängig variabel ausgelegt ist. 8. Cylinder head according to one of claims 4 to 7, wherein the time of closing of the connection is load-dependent variable designed.
9. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend ein Auslassventil (34) mit einem Ventilteller (35), und einem Auslasskanal (34), sowie einen zweiten Druckausgleichskanal (32) zwischen dem Einlasskanal (16) und dem Schaftbereich des Auslassventils (34). 9. Cylinder head according to one of the preceding claims, further comprising an outlet valve (34) with a valve plate (35), and an outlet channel (34), and a second pressure equalization channel (32) between the inlet channel (16) and the shaft region of the outlet valve (34 ).
10. Verbrennungsmotor mit einem Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 9. 10. Internal combustion engine with a cylinder head according to one of claims 1 to 9.
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