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Die Erfindung betrifft eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einer Einlasskanalanordnung im Zylinderkopf, mit zumindest einem als Radial- oder Tangentialkanal ausgebildeten Einlasskanal pro Zylinder, der von einer Flanschfläche des Zylinderkopfes zu einem an den Zylinder angrenzenden Ventilsitzring verläuft, wobei im Bereich des Ventilsitzringes die Kanalmittellinie schräg zur Ventilsitzringachse ausgebildet ist.
Es ist bekannt, dass bei Brennkraftmaschinen durch Ladungsschichtung eine Verbesserung des Wirkungsgrades erreicht werden kann. Bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen begünstigt eine Gemischschichtung eine Reduktion der unverbrannten Kohlenwasserstoffe bei insgesamt überstöchiometrischer Verbrennung. Es kommt dabei zu einer lokalen Anfettung des Gemisches. Die Verbrennung läuft dann lokal in einem gegenüber dem Gesamtluftverhältnis fetteren Gemisch ab. Eine einlassgenerierte Ladungsschichtung muss durch die Hauptströmungsstrukturen im Zylinderraum der Brennkraftmaschine erzeugt und stabilisiert werden, um selbst in Anwesenheit der sehr hohen Turbulenzgrade der Motorinnenströmung den Kompressionsvorgang zwischen dem Schliessen der Einlassventile und der Zündung überdau- ern zu können.
Als Hauptströmungsformen kommen hier die Wirbelbewegungen Drall und Tumble in Betracht. Bei der Drallströmung rotiert die Zylinderladung aufgrund der Einlasskanalgestaltung um die Zylinderachse, während bei einer Tumbleströmung eine Rotation um eine zur Kurbelwelle parallele Achse zu beobachten ist.
Grundsätzlich bietet die Drallströmung die besseren Voraussetzungen zur Erhaltung einer Gemischschichtung während der Kompression, da sich der runde Zylinderquerschnitt senkrecht zur Zylinderachse während der Kompression nicht ändert. Ein Tumblewirbel hingegen hat wesentlich eher das Bestreben, während der Kompression durch die zunehmende Abflachung des für seine Rotation zur Verfügung stehenden Querschnittes senkrecht zur Kurbelwellenachse und die daraus resultierende Verformung des Wirbels durch Scherwirkung in ungeordnete Turbulenzstrukturen zu zerfallen. Tumbleströmungen werden daher vorzugsweise eingesetzt, wenn eine allgemeine Beschleunigung der Verbrennung durch Erhöhung des Turbulenzniveaus im gesamten Brennraum angestrebt wird. Auch bei selbstzündenden Motoren werden Tumbleströmungen zur Verbesserung des Verbrennungsverhaltens eingesetzt.
Aus der EP 0 558 081 AI und der EP 0 558073 Al sind Brennkraftmaschinen der eingangs genannten Art bekannt, wobei durch Aufteilung des Einlassstromes eine bessere
Schichtung auf Tumblebasis angestrebt wird. Bei geöffnetem Einlassventil kommt es aufgrund
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einer mehr oder weniger symmetrischen Umströmung des Ventitellers beim Eintritt in den Brennraum zu einer Aufteilung in eine die Tumblebewegung begünstigende zur Brennraummitte verlaufenden Strömung und einer kleineren, entgegen der Rotation des Tumbles wirkenden, nahe der Zylinderwand verlaufenden Nebenströmung zum Kolben hin. Diese Nebenströmung behindert mehr oder weniger die Tumblebewegung und hat nachteilige Auswirkungen auf die Ladungsbewegung.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und bei einer Hubkolbenbrennkraftmaschine der eingangs genannten Art die einlasskanalgenerierte Ladungsbewegung zu verstärken.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Einlasskanal unmittelbar stromaufwärts des Ventilsitzringes eine eingeformte Strömungsabrisskante aufweist. Dadurch ist es möglich, entgegen der angestrebten Ladungsbewegung wirkende Nebenströme zu vermindern.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Strömungsabrisskante durch eine Verschneidung des im wesentlichen stetig verlaufenden Zulaufteiles des Einlasskanales mit einem konischen, sich in Strömungsrichtung erweiternden Wandabschnitt im Bereich des Ventilsitzringes gebildet ist. Im Bereich der Strömungsabrisskante selbst kann der Querschnitt des Einlasskanales verengt ausgebildet sein, wodurch ein asymmetrisches Ausströmen gefördert wird. Vorzugweise ist vorgesehen, dass der konische Wandabschnitt durch einen koaxial zur Ventilsitzringachse zugestellten Kontrollfräser in den Zylinderkopf eingearbeitet ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der Zulaufteil exzentrisch in den konischen Wandabschnitt einmündet, wobei vorzugsweise die Exzentrizität bis zu 0, 3, besonders vorzugsweise bis zu 0, 2 mal dem Ventilsitzringdurchmesser im Bereich des Anschlusses an den Einlasskanal beträgt. Insbesondere ist es dabei von Vorteil, wenn die Kanalmittellinie im Mündungsbereich bezüglich der Ventilsitzringachse in Richtung Zylinderwand versetzt ausgebildet ist. Im Falle eines einzigen Tangentialkanales wird durch die Abrisskante die tangential erzeugte Drallbewegung verstärkt. Besonders vorteilhaft ist es allerdings, wenn zwei beidseitig einer die Zylinderachse beinhaltenden Motorquerebene, vorzugsweise symmetrisch, angeordnete, als Tangentialkanäle ausgebildete Einlasskanäle vorgesehen sind, und vorzugsweise einer der beiden Tangentialkanäle abschaltbar ist.
Die beiden Tangentialkanäle injizieren über gegengerichtete Drallströmungen eine Tumblewalze im Zylinderraum, die eine hervorragende Gemischbildung und Verbrennung sicherstellt. Die beiden Einlasskanäle münden dabei spiegelbildlich bezüglich der Querebene in den Brennraum. In den
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Betriebsbereichen, in denen einer der beiden Tangentialkanäle abgeschaltet ist, erzeugt der andere Tangentialkanal eine durch die Abrisskante verstärkte drallförmig Ladungsbewegung.
Die durch den Tangentialkanal injizierte Drallströmung kann in einfacher Weise noch dadurch verstärkt werden, dass der näher zur Zylinderwand liegende Umfangsbereich des Einlasskanales übergangslos in den Ventilsitzring übergeht, während die übrigen Umfangsbereiche über die Abrisskante in den konischen Abschnitt übergehen. Diese gezielt erzeugte Ablösung in bestimmten Umfangsbereichen verstärkt die entlang der Zylinderwand injizierte Drallströmung.
Zusätzlich zu zwei Tangentialkanälen kann vorgesehen sein, dass im Bereich der Motorquerebene ein als Radialkanal ausgebildeter Einlasskanal vorgesehen ist, wobei die Kanalmittellinie in oder ausserhalb der Querebene angeordnet sein kann, wodurch eine besonders ausgeprägte Walzenströmung ermöglicht wird. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Strömungsabrisskante in dem näher zur Zylinderwand liegenden Umfangsbereich des Einlasskanales am schärfsten ausgebildet ist, wodurch in diesem Bereich ein Ablösen der Strömung bewirkt wird.
Die Erfindung wird anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Zylinder einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit zwei angedeuteten Einlasskanälen, Fig. 2 einen Querschnitt durch die zwei äusseren Einlasskanäle im Bereich der Ventilsitzringe gemäss der Linie II-II in Fig. 1 bzw. in Fig. 5, Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Zylinder einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem angedeuteten Einlasskanal, Fig. 4 einen Schnitt entlang der Längsmittelachse eines Einlasskanales gemäss der Linie IV-IV in Fig. 3, und Fig. 5 eine Draufsicht auf den Zylinder einer Hubkolben-Brennkraftmschine mit drei Einlasskanälen.
In den Figuren sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Für die Erfindung nicht wesentliche Teile sind der Klarheit wegen nicht dargestellt.
Fig. I zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen Zylinder I einer Brennkraftmaschine mit einer Einlasskanalanordnung 2 im Zylinderkopf 5, bestehend aus zwei durch die Bezugszeichen 3 und 4 angedeutete Tangentialkanäle. Die Tangentialkanäle 3 und 4 gehen von einer seitlichen Flanschfläche 5'des Zylinderkopfes 5 aus und münden über Ventilsitz- ringe 6,7 in den Zylinder 1. Die Flanschfläche 5'kann selbstverständlich auch geneigt zur
Motorlängsebene l'ausgeführt sein.
Unmittelbar vor den Ventilsitzringen 6 und 7 ist pro
Einlasskanal 3,4 eine Strömungsabrisskante 8,9 vorgesehen, welche durch die Verschneidung der Zulaufteile 12,13 der Einlasskanäle 3,4 mit einer konischen, durch einen kegelförmigen
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Kontrollfräser geformten, sich in Strömungsrichtung erweiternden Wandabschnitt 10, 11 gebildet ist. In den Fig. 2 und 4 ist strichliert die Kontur 25 eines formenden Kontrollfräsers eingezeichnet. Bezugszeichen 26 deutet den Verlauf der gegossenen Oberflächen vor der Fräserbehandlung an. Nur in dem Umfangsbereich jedes Einlasskanales 3,4, welcher der Zylinderwand Ib am nächsten ist, mündet der Zulaufteil 12, 13 übergangslos in den Ventilsitzring 6,7, wie in Fig. 2 gezeigt ist.
Der Zulaufteil 12,13, jedes Einlasskanales 3,4 mündet dabei exzentrisch in den konischen Wandabschnitt 11,12 ein, wobei die Exzentrizität e bis zu 0, 3, vorzugsweise bis zu 0, 2 mal dem Ventilsitzringdurchmesser d im Bereich des Anschlusses an den Einlasskanal 3,4, beträgt. Die beiden Einlasskanäle 3 und 4 sind als Tangentialkanäle ausgebildet, d. h., dass-im Grundriss betrachtet - der Winkel (p zwischen der Kanalmittellinie 3', 4'und einer Normalen la auf die Zylinderachse 1" durch die Ventilsitzringachse 6'bzw. 7' annähernd 90"beträgt, sodass ein tangentiales Einströmen in den Zylinder 1 ermöglicht ist.
Sind beide Tangentialkanäle 3,4 aktiv, so treffen sich die von beiden Kanälen erzeugten Teilströmungen 14,15, im Bereich einer die Zylinderachse 1 beinhaltenden Motorquerebene 16 an der der Einlassseite gegenüberliegenden Zylinderhälfte. Dieser Bereich ist mit dem Bezugszeichen 17 in Fig. 1 angedeutet. Dadurch entsteht eine starke Tumbleströmung, da sich die beiden Kanalteilströme 14 und 15 im Bereich 17 treffen und entlang der auslassseitigen Zylinderwand 1 b nach unten abgelenkt werden.
Durch die vorgesehenen Abrisskanten 8,9 kann weitgehend die Bildung von die Tumbleströmung behindernden entgegenwirkenden Nebenströmungen im Bereich der einlassseitigen Zylinderwand 1 b verhindert werden.
Einer der beiden Einlasskanäle 3,4 kann durch ein mit Bezugszeichen 18 angedeutetes Steuerorgan in bestimmten Betriebsbereichen abschaltbar ausgeführt sein. Dadurch wird anstelle der Tumbleströmung durch den verbleibenden aktiven Einlasskanal eine Drallströmung erzeugt. Auch hier wirkt sich die Abrisskante 8,9 günstig auf die Strömung aus, da die Bildung von die Drallströmung behindernden Nebenströmungen bedeutend vermindert wird.
Dadurch kommt es auch im Falle einer ausgeprägten Drallströmung zu einer verstärkten Ladungsbewegung. Dasselbe gilt selbstverständlich auch für eine Brennkraftmaschine mit einem einzigen Tangentialkanal 3 pro Zylinder 1.
Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsvariante einer erfindungsgemässen Einlasskanalanordnung 2 mit einem im Bereich der Motorquerebene 16 angeordneten Radialkanal 19, dessen Kanalmittellinie 19'geringfügig ausserhalb der Motorquerebene 16 liegt. Der Winkel (p zwischen der Normalen la auf die Zylinderachse 1" durch die Ventilsitzringachse 20 einer-
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seits, und die Kanalmittellinie 19'andererseits weicht nur wenig von 180 ab. Unmittelbar vor der Einmündung in den Ventilsitzring 20 weist der Radialkanal 19 eine Strömungsabrisskante 21 auf, die als Verschneidung zwischen dem Zulaufteil 22 des Einlasskanales 19 mit einem konischen, sich in Strömungsrichtung erweiternden Wandabschnitt 23 im Bereich des Ventilsitzringes 20 gebildet ist.
Der Einlasskanal 19 ist im Bereich der Strömungsabrisskante 21 verengt, also mit einem annähend ovalen Kanalquerschnitt, ausgeführt. Die Strömungsabrisskante 21 ist an der der einlassseitigen Zylinderwand 1 b zugewandten Seite besonders scharf geformt, um einen sicheren Strömungsabriss in diesem Bereich zu gewährleisten und die Bildung von entlang der einlassseitigen Zylinderwand 1 b Richtung Kolben strömenden Nebenströmungen, vor allem bei grossen Ventilhüben, zu verhindern. Durch diese Massnahmen kann die walzenförmig Tumbleströmung und die dadurch entstehende Ladungsbewegung verstärkt werden. Die Tumbleströmung ist durch die Pfeile 24 angedeutet.
Fig. 5 zeigt einen Zylinder 1 einer Brennkraftmaschine mit drei Einlasskanälen 3,4, 19 pro Zylinder 1, wobei die zwei äusseren Einlasskanäle 3,4 als Tangentialkanäle und der mittlere Kanal 19 als Radialkanal ausgebildet ist. Die aus den drei Einlasskanälen 3,4, 19 bestehende Einlasskanalanordnung 2 ist annähernd symmetrisch bezüglich der die Zylinderachse 1" beinhaltenden Motorquerebene 16 angeordnet. Wie bei dem in Fig. I beschriebenen Ausführungsbeispiel münden die beiden Tangentialkanäle 3,4 exzentrisch bezüglich den Ventilsitzringen 6,7 in den Zylinder 1 ein, wobei der Zulaufteil 12,13, jedes Tangentialkanales 3,4 in einen konischen Wandteil 10, 11 einmündet.
Wie in dem in Fig. 1 beschriebenen Beispiel weist jeder Tangentialkanal 3, 4 eine Strömungsabrisskante 8,9 auf, die durch eine Verschneidung des Zulaufteiles 12,13 mit dem konischen Wandbereich 10,11, gebildet ist. Nur in den Umfangsbereichen der Einlasskanäle 3,4, welche der Wand lb des Zylinder 1 am nächsten sind, geht der Zulaufteil 12,13 übergangslos in den Ventilsitzring 6,7 über.
Der in Fig. 4 für den Radialkanal 19 aus Fig. 3 gezeigte Schnitt entlang der Kanalmittellinie 19'gilt im wesentlichen auch für die Tangentialkanäle 2,3. Dabei wird der konische Wandbereich 23 durch einen kegelförmigen Kontrollfräser geformt, welcher koaxial zur Ventilsitzringachse 20'zugestellt wird. Im Verschneidungsbereich mit den Zulaufteil 22 des Einlasskanales 20 bildet sich eine Strömungsabrisskante 21.
Durch die Erfindung kann bei fremd- als auch bei selbstgezündeten Brennkraftmaschinen die einlassgenerierte Ladungsbewegung verbessert werden.