B E S C H R E I B U N G

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf eines Ottomotors mit mindestens zwei Einlasskanälen, die an einem Zylinderkopfboden münden, und mit je einem im Einlasskanal vorgesehenen Ventilsitz für ein Einlassventil, wobei der Ventilsitz eine Mittelachse aufweist. Der Ablauf der Verbrennung eines Motors wird insbesondere von der Strömung im Zylinder beeinflusst. Man unterscheidet zwischen makroskopischer Strömung - das sind der Drall und der Tumble - und mikroskopischer Strömung - das ist die Turbulenz. Als Drall bezeichnet man eine Wirbelströmung, deren Rotationsachse pa rallel zur Zylinderachse liegt. Als Tumble bezeichnet man eine Wirbelströmung, deren Rotationsachse rechtwinklig zur Zylinderachse angeordnet ist.

Bei Ottomotoren wird häufig ein Tumble-Brennverfahren angewendet. Die ses Brennverfahren erzeugt eine einlassseitig generierte Tumbleströmung, verwendet einen dachförmigen Brennraum und eine die Tumbleströmung unterstützende Kolbenmulde. Die während der Ansaugphase generierte Tumbleströmung wird während der Kompressionsphase zerquetscht und in Turbulenz umgewandelt. Die Turbulenz beschleunigt die Verbrennung und ermöglicht gute Magerlaufeigenschaften bzw. hohe Abgasrückführraten.

Bekannt sind stationäre Gasmotoren, die mit einem Brennverfahren, mit Drall-Einlasskanälen und Omega-Kolbenmulden funktionieren. Zur Erhö hung des Dralls werden Drallfasen verwendet. Dies sind exzentrische Anfasungen am Zylinderkopf unterhalb der Einlassventile, die die Abströmung von den Einlasskanälen gezielt in Drallrichtung lenken. Das Diesel-Drall- Brennverfahren zielt auf eine gute innermotorische Gemischbildung ab. Es ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine aus der EP 814245 B1 bekannt, deren Gaswechsel von periodisch betätigten Einlass- und Auslassventilen gesteuert wird, wobei dem über das Einlassventil einströmenden Frischgas eine Strömungsbewegung derart aufgeprägt wird, dass sich aus der Abgas-Drallströmung und der Frischgasströmungsbewegung im Brennraum eine Ladungsschichtung mit in der Nähe einer Zündkerze erhöhter Frischgaskonzentration einstellt und dass dem zurückgeführten Abgas die Drallströmung durch eine sich nur teilumfänglich um den Strömungsquerschnitt erstreckende Fase aufgeprägt wird, wobei die beiden an den Auslassventilen angeordneten Fasen mit ihren Richtungen derart voneinander abweichen, dass sich zwei gegenläufig zueinander um pa rallele Zylinderachsen rotierende Drallströmungen ausbilden, so dass die dem Frischgas aufgeprägte Strömungsbewegung eine quer zur Zylinder achse rotierende Tumbleströmung ist.

Aus der DE 102008026728 A1 ist ein Zylinderkopf für einen Diesel- oder Benzinmotor bekannt. Der Zylinderkopf weist für jeden einzelnen Arbeits- zylinder mindestens einen Einlasskanal mit Ventilsitz und Einlassventil auf. Der Ventilsitz des Einlassventils ist zwecks Generierung einer Drallströmung mit einer Drallfase versehen, wobei die Drallfasen von zwei oder von allen Zylindern unterschiedlich ausgebildet sind. Als variable Größe der Fase kann wohl der Fasenwinkel oder die Größe der Fase in Betracht kommen.

Aus der EP 1493910 A1 ist ein Zylinderkopf eines Dieselmotors mit Zylin derkopfboden und zwei Einlasskanälen bekannt. Jeder Einlasskanal weist einen Ventilsitz für ein Einlassventil und eine Fase im Bereich des Zylinder kopfbodens auf, die derart ausgebildet und angeordnet sind, dass eine Drallströmung des eintretenden Gases bewirkt wird.

Die DE 10065888 A1 offenbart ein Verfahren zum Optimieren der Drall werte für Einlasskanäle. Die EP 1215377 A1 beschreibt einen Zylinderkopf eines Diesel- oder Benzinmotors mit Zylinderkopfboden und einem Einlasskanal. Der Einlasskanal umfasst einen Ventilsitz für ein Einlassventil. An der Innenwand eines vor deren Bereiches des Einlasskanals ist eine Rippe angeordnet.

Die Rippe erhöht die Wirbelbewegung beim Einströmen in dem Brennraum. Die Rippe kann beim Formen des Einlasskanals oder durch Bearbeitung der Innenwand des Kanals zumindest teilweise ausgebildet werden.

Aus der FR 2890119 A1 ist ein Zylinderkopf eines Benzinmotors bekannt. Der Zylinderkopf weist einen Zylinderkopfboden, zwei Einlasskanäle und je einen Ventilsitz für ein Einlassventil pro Einlasskanal auf. Die Einlasskanäle umfassen im Bereich des Zylinderkopfbodens je eine Fase, die sich in Richtung auf die Auslasskanäle erstrecken. Somit wird beim Einströmen in den Zylinder eine Tumbleströmung in Richtung auf die Auslasskanäle erzeugt.

Die DE 19619782 A1 offenbart einen Zylinderkopf eines Diesel- oder Benzinmotors. Der Zylinderkopf weist einen Zylinderkopfboden und einen Ein lasskanal mit einem Ventilsitz für ein Einlassventil auf. Im Einlasskanal ist ein erhabener Abschnitt vorgesehen, der die Ansaugluftströmung in dem Einlasskanal in Richtung auf die dem Einlassventil nächstgelegene Zylin derwand zielt, so dass eine Tumbleströmung erzeugt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zylinderkopf eines Ottomotors derart auszubilden und anzuordnen, dass gezielt eine Tumbleströ mung erzeugt wird.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch einen Zylinderkopf gemäß Anspruch 1 und 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unter ansprüchen enthalten.

Dies ist insbesondere vorteilhaft bei stationären Gas-Ottomotoren mit unten liegender Nockenwelle. Stationäre Gasmotoren haben in der Regel eine unten liegende Nockenwelle, damit der jeweilige zylinderbezogene Zylinderkopf auf einfache Weise zwecks Wartung und Instandhaltung demontiert werden kann. Ein gemeinsamer Zylinderkopf für mehrere bzw. bis zu 20 oder 24 Zylinder mit integrierten Nockenwellen wäre mithin nicht nur für die Herstellung zu aufwendig, sondern auch nachteilig bei der Wartung. Damit einher geht jedoch eine beschränkte Variabilität bezüglich der An ordnung und Ausrichtung der Ein- und Auslassventile. Letzteres insbeson dere vor dem Hintergrund, dass es sich bei stationären Gas-Ottomotoren um Motoren auf Dieselbasis handelt, die von der Zylinderkopfarchitektur auf eine Drallströmung hin ausgerichtet sind. Die Funktion der Tumblefasen lässt sich wie folgt näher beschreiben. Die Tumblefasen wirken vor allem bei niedrigem Ventilhub, also beim Öffnen und beim Schließen des Ventils, wenn die Strömung durch das Ventil zwangsweise an die Fase bzw. die Anfasung geführt wird. Bei großem Ventilhub verläuft die Abströmung vom Einlasskanal primär längs der Ventilachse und wird von der Anfasung kaum beeinflusst.

Die Anfasung führt zu einer deutlichen Verstärkung der Tumbleströmung im Zylinder. Die Effizienz dieser Maßnahme ist gut, d. h. die Ladungsbewe gung wird deutlich erhöht, ohne dass der Luftaufwand in unzulässiger Wei se beeinträchtigt wird. Die Anfasung kann in die Serienfertigung eingeführt werden, ohne dass der Zylinderkopf anderweitig umkonstruiert werden muss. Die exzentrische Anfasung kann fertigungskostenneutral umgesetzt werden.

Insgesamt ergibt sich beim Gasmotor ein mit erhöhtem Wirkungsgrad ver bessertes Brennverfahren.

Das Maximum M wird dadurch erreicht, dass die Symmetrieachse der Fase exzentrisch und/oder angestellt zur Mittelachse des Ventilsitzes angeordnet ist. Im Gegensatz zur exzentrischen Anordnung wird durch die Anstellung der Symmetrieachse erreicht, dass ein Anstellwinkel der Fasenfläche relativ zur Mittelachse über den Umfang variiert. Die exzentrische Anordnung und die Anstellung können selbstverständlich alternativ oder kombiniert vorgesehen werden.

Die Ausbildung der Fase kann demnach bestimmt sein durch ihren Flan kenwinkel, d. h. den Kegelwinkel eines exzentrisch angesetzten Fräswerk zeugs und/oder durch ihre Anstellung, d. h. den Anstellwinkel zwischen der Achse des Fräswerkzeugs und der Flächennormalen des Zylinderkopfbo dens. Der Flankenwinkel bzw. Kegelwinkel beträgt vorzugsweise zwischen 100° und 140°. Die Anstellung bzw. der Anstellwinkel beträgt vorzugsweise zwischen 0° und 10°. Durch beide Maßnahmen kann eine zur Mittelachse unsymmetrische Fase mit der gewünschten Ausrichtung erzeugt werden. Der Kegelwinkel des exzentrisch angesetzten Fräswerkzeugs und/oder der Anstellwinkel des Fräswerkzeugs werden so gewählt, dass eine effiziente Strömungsbeeinflussung erzielt wird.

Beide Strömungen laufen somit im Bereich der nächstgelegenen Zylinderwand aufeinander zu und werden in günstiger Weise nach unten abgelenkt, so dass eine Tumblebewegung eingeleitet wird.

Erfindungsgemäß ist die Ausrichtung der Tumblefasen unter Anwendung eines der vorstehend genannten Winkel derart, dass die Strömungsablen kung in Richtung der den beiden Einlassventilen nächstgelegenen Zylinderwand zielt. Somit wird einerseits im Zusammenspiel mit der Krümmung der Zylinderwand eine Tumbleströmung generiert und andererseits aber ein Abstand der Tumblefase zur Zylinderwand gewährleistet.

Die Exzentrizität E der Ansenkungen bzw. Tumblefase ist so gewählt, dass eine deutliche Intensivierung der Tumbleströmung erreicht wird, ohne dass die Durchflussgüte der Einlasskanäle nennenswert beeinträchtigt wird.

Außerdem ist es vorteilhaft, eine Zündkerze so vorzusehen, dass sie nicht vom Tumble ausgeblasen wird. Beim Pkw-Ottomotor muss die maximale Intensität der Tumbleströmung begrenzt sein, damit der Flammenkern zwi schen den Zündkerzenelektroden nicht durch die starke Strömung ausge- blasen wird. Diese Begrenzung fällt durch Anwendung einer Kammerkerze weg. Die Kammerkerze schirmt den Zündort bzw. den Flammenkern durch die Zündkerzen-Vorkammer vor der Strömung im Brennraum ab und schafft eigene, definierte Zündbedingungen. Eine starke Tumbleströmung und eine hohe Turbulenz wirken sich daher primär auf die Verbrennung im Haupt brennraum aus und nicht direkt auf die empfindliche Entflammungsphase in der Zündkerzen-Vorkammer. Eine maximale Intensivierung der Tumbleströ mung 13 ist so möglich. Es ist vorteilhaft, wenn eine sphärisch oder torisch bzw. linsenförmig geformte Kolbenmulde 14 vorgesehen ist. Die am Einlasskanal 5 generierte Tumbleströmung 13 kann nur dann vollständig ge nutzt werden, wenn der Motor eine die Tumbleströmung unterstützende Kolbenmulde 14 aufweist. Eine solche Kolbenmulde 14 hat im Vergleich zur tiefen Mulde wie der Omega-Mulde außerdem die Vorteile, dass die Flammenwege von der Zündkerze 12 bis zum Brennraumrand besonders kurz sind und die Brennraumoberfläche klein ist.

Weiter ist es von Vorteil, dass der Brennraum mit der Hilfe eines Turbola ders oder eines Kompressors gefüllt wird.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfes eines stationären Gas motors ist von Vorteil, bei dem ein Fräswerkzeug zur Herstellung der Fase 11 verwendet wird, das einen Kegelwinkel aufweist und mit der Exzentrizität zur Mittelachse und/oder unter einem Anstellwinkel zur Mittelachse an gesetzt wird.

Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung kann es von Vorteil sein, wenn der Gasmotor mit einem vorstehend be schriebenen Zylinderkopf mit einem hohen Spüldruckgefälle betrieben wird, wobei das Spüldruckgefälle zwischen 700 mbar und 1200 mbar liegt.

Beim stationären, aufgeladenen Gasmotor liegt ein hohes Spüldruckgefälle zwischen Ein- und Auslasskanal vor. Dadurch entsteht beim Öffnen der Einlassventile, bis sich die Druckverhältnisse ausgeglichen haben, zu nächst eine starke Strömung. Die Tumblefasen haben daher in diesem Zeitraum eine besonders starke Wirkung. Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn der Betrieb unter Verwendung von Miller-Steuerzeiten mit frühem Schließen der Einlassventile erfolgt, wobei das Einlassventil bei einem Kurbelwinkel KW von KW >= 20° vor UT schließt, gemessen bei einem Ventilhub von 1 mm. D. h. bei einem Kurbelwinkel KW von KW = 20° ist das Einlassventil gerade noch 1 mm geöffnet. Diese unterstützen die Tumblebewe- gung, weil die Einlassventile bereits schließen, während sich der Kolben noch zum unteren Totpunkt hinbewegt. Dadurch entsteht beim Schließen der Einlassventile wie auch beim Öffnen eine starke Strömung, die die Wir kung der Tumblefasen auch im Schließvorgang begründet. Bei Viertaktmotoren hängt die Anzahl und Anordnung der Ladungswechselorgane im Zylinder von unterschiedlichen Randbedingungen ab. Die wesentlichen Kri terien sind die Ventilanordnung und der Ventiltrieb, die Anordnung des Gemischbildners, gewünschte Füllung und Ladungsbewegung, erforderliche Grenzdrehzahl, Package, Reibung, Wartung, Steuertrieb, die damit den Aufwand und die Herstellkosten bestimmen. Als Grundausprägung der Ladungsbewegung kommen die Drallströmung, die Rotation der Zylinder ladung um die Zylinderachse sowie die Tumble-Strömung, die Rotation um die Achse senkrecht zur Zylinderhochachse bzw. um die Motorlängsachse zur Anwendung.

Den über den weiten Last- und Drehzahlbereich zumeist variierenden An forderungen an den Ladungswechsel hinsichtlich Füllung, Ladungszusam mensetzung und Ladungsbewegung wird häufig durch Variabilitäten Rechnung getragen, die sich auf den Öffnungsverlauf der Ventile ebenso wie auf die Geometrie der Sauganlage und in einigen Fällen auch auf die Abgas anlage erstrecken.

Ladungsbewegungsklappen (Drall und Tumble)

Die Ladungsbewegung erweist sich als einer der wichtigsten Parameter für die Verbrennung, da mit ihrer Modifikation signifikante Einflüsse auf das Brennverfahren beobachtet werden können. Über eine Adaption der Ein lasskanäle und/oder der Ventilsteuerzeiten kann man ganz gezielt die Gemischbildung und den Ablauf der Verbrennung beeinflussen. Es wird versucht, über eine gerichtete Strömung die Turbulenz zu steigern und das Gemisch besser aufzubereiten sowie, beispielsweise bei der Schichtladung, die Ladung gezielt zu führen. Ebenfalls kann eine Auswirkung auf den Wandwärmeübergang, den Massetransport und die Ausbrei tungsgeschwindigkeit der Verbrennung erreicht werden.

Die Drallströmung wird bereits bei der Auslegung der Einlasskanäle berücksichtigt, wobei unterschiedliche Konfigurationen ausgeführt werden. Dafür kann einer der Kanäle als Füllungskanal ausgeführt werden. In dieser Konfiguration kann der Füllungskanal mit einer Drallklappe versehen sein, die je nach Betriebspunkt verschlossen werden kann.

Der andere Kanal wird oft als Tangentialkanal bezeichnet und dient zur Erzeugung des Dralls. Somit strömt die Luft asymmetrisch in den Brennraum und induziert eine um die Zylinderhochachse drehende Strömungsform, wobei das Drallniveau gegebenenfalls mit zunehmender Anstellung der Drallklappe verstärkt werden kann.

Die Öffnung des Füllungskanals ist nur in Bereichen hoher Drehzahlen bzw. hin zur Volllast zielführend. Unterstützt wird die Drallströmung durch eine geeignete Ausführung der Kolbenform, wobei sich hier die sogenannten Omega-Muldenkolben bewähren. Der Drall bleibt außerdem, im Gegensatz zum Tumble, auch in der Kompressionsphase erhalten.

Tumble

Der Tumble stellt eine Strömung um eine Achse senkrecht zur Zylinder hochachse dar. Erreicht wird diese Strömungsrichtung dadurch, dass die Luft durch bestimmte Maßnahmen am Einlass gezwungen wird, durch den oberen Teil des Ansaugkanals zu strömen. Dazu wird entweder der An saugkanal mit einer Form versehen, die die Strömung im oberen Kanalteil unterstützt, oder der untere Teil des Kanals über eine darin angeordnete Klappe verschlossen. Die Drehklappe verschließt den unteren Teil des An- saugkanals und sorgt damit für eine Querschnittsverengung, mit der eine Erhöhung der Geschwindigkeit einhergeht.

Dies führt zu einer Steigerung der kinetischen Energie. Der Tumble ist im Vergleich zum Drall nicht unabhängig von der Kolbenbewegung, was dazu führt, dass er im OT in einzelne Turbulenzwirbel zerfällt. Dieses Verhalten ist bei Ottomotoren erwünscht, weil dadurch eine hohe Turbulenz erzeugt wird. Hier unterstützt ein besonders ausgeführter Kolben, beispielsweise mit Nase oder als Linsenkolben, die Umlenkung der Tumble-Strömung.

Für die Quantifizierung der Drall- und auch der Tumble-Strömung existieren mehrere unterschiedliche Kennzahlen. Eine weit etablierte Charakterisierung erfolgt über die Drall- bzw. Tumble-Zahl ZD,T. Sie ist definitionsgemäß das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeit der Ladungsbewegung WD oder WT zur Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle W«.

Weitere Möglichkeiten zur gezielten Beeinflussung des Ladungswechselvorgangs bieten Phasensteller für die Einlass- und Auslassseite sowie teil- und vollvariable Ventilhubsysteme.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprü chen und in der Beschreibung erläutert und in den Fig. dargestellt. Es zei gen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze des Zylinderkopfs in der Ansicht von unten,

Fig. 2 eine Prinzipskizze einer Schnittdarstellung des Zylinderkopfs,

Fig. 3 eine schematische Darstellung von Drall- und Tumbleströmung,

Fig. 4 Tumbleerzeugung,

Fig. 5 einen Schnitt durch eine Brennkraftmaschine mit exzentrischer Tumblefase.

In Fig. 1 ist eine Prinzipskizze des Zylinderkopfs 1 in der Ansicht von unten dargestellt. Zu sehen sind die Einlassventile 3, die Auslassventile 4 und die Zündkerze 12. Weiter ist der Einlasskanal 5 zu sehen, der die Frischluft zu den Einlassventilen 3 bringt. Nachdem die Frischluft durch den Einlasskanal hindurchgeströmt ist, muss sie die Ventile 3 passieren und kommt zwangsläufig in den Bereich der exzentrischen Tumblefase 10 am Einlass ventil. Die exzentrische Tumblefase 10 am Einlassventil 3 ist auf der ent- gegengesetzten Seite des Ventiltellers angeordnet wie der Einlasskanal 5.

Von den Auslassventilen weg führt der Auslasskanal 6, durch den hindurch die Abgase strömen, nachdem sie die geöffneten Auslassventile 4 passiert haben.

Fig. 2 stellt eine Prinzipskizze der Darstellung aus Fig. 1 in der Seitenansicht dar. Zu sehen sind die Einlassventile 3, die Auslassventile 4 und die Zündkerze 12. Weiter ist der Einlasskanal 5 zu sehen, der die Frischluft zu den Einlassventilen 3 bringt. Nachdem die Frischluft durch den Einlasska- nal hindurchgeströmt ist, muss sie die Ventile 3 passieren und kommt zwangsläufig in den Bereich der exzentrischen Tumblefase 10 am Einlass ventil. Die exzentrische Tumblefase 10 am Einlassventil 3 ist auf der ent gegengesetzten Seite des Ventiltellers angeordnet wie der Einlasskanal 5. Von den Auslassventilen weg führt der Auslasskanal 6, durch den hindurch die Abgase strömen, nachdem sie die geöffneten Auslassventile 4 passiert haben.

In Fig. 3 ist eine schematische Darstellung von Drall- und Tumbleströmung zu sehen.

Fig. 4 zeigt schematisch, wie ein Tumble erzeugt wird.

In Fig. 5 wird ein Schnitt durch eine Brennkraftmaschine mit exzentrischer Tumblefase 11 offenbart. Zu sehen sind die Einlassventile 3, die Auslass ventile 4 und die Zündkerze 12. Weiter ist der Einlasskanal 5 zu sehen, der die Frischluft zu den Einlassventilen 3 bringt. Nachdem die Frischluft durch den Einlasskanal hindurchgeströmt ist, muss sie die Ventile 3 passieren und kommt zwangsläufig in den Bereich der exzentrischen Tumblefase 10 am Einlassventil. Die exzentrische Tumblefase 10 am Einlassventil 3 ist auf der entgegengesetzten Seite des Ventiltellers angeordnet wie der Einlass kanal 5. Von den Auslassventilen weg führt der Auslasskanal 6, durch den hindurch die Abgase strömen, nachdem sie die geöffneten Auslassventile 4 passiert haben.

Bei einem Querstrom Zylinderkopf für einen Ottomotor, der mit einem tumblebasierten Brennverfahren betrieben wird, wird die Strömung aus den beiden Einlassventilen so umgelenkt, dass sich im Zylinder eine Tumble- strömung ergibt. Dazu wäre eine flache Neigung der Einlasskanäle wün schenswert. Dies kann aber aus konstruktiven Gründen nicht im gewünschten Maße erfolgen, z. B. wegen vorhandener Kühlkanäle.

Anstatt einer extrem flachen Anordnung der Einlasskanäle werden die Fa sen am Austritt der Einlasskanäle exzentrisch in Austrittsrichtung ausgeführt. Dadurch strömt die Frischluft bzw. das Gas/Luft-Gemisch bevorzugt so in den Brennraum, dass der Tumble entsteht.

Bezugszeichenliste

1 Zylinderkopf

2 Kurbelgehäuse 3 Einlassventil

4 Auslassventil

5 Einlasskanal

6 Auslasskanal

7 Kolben 8 Ventilsitz Einlassventil

9 Ventilsitz Auslassventil

10 Exzentrische Tumblefase am Einlassventil

11 Fasenwinkel

12 Zündkerze 13 Tumble

14 Kolbenmulde