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Die Erfindung betrifft einen drall erzeugenden Einlasskanal einer Brennkraftmaschine, welcher über eine eine Spiralenzunge aufweisende Kanalspirale in einen Zylinder einmündet.
Aus verschiedenen Gründen kann es wünschenswert sein, den Drall eines Spiralkanales durch Massnahmen in der Produktion zu verändern. Solche Gründe können sein : a) Zwei Motoren einer Motorenfamilie haben gleiche Bohrung aber unterschiedlichen
Hub. Verwendet man nun denselben Zylinderkopf und damit dieselben Einlasskanäle für beide Varianten, so würde der Drall Di des Motors mit kleinerem Hub hl um den
Faktor f= hi/h kleiner sein als der Drall D2 des Motors mit grossem Hub h2. Dass die
Drallzahl proportional dem Verhältnis Hub/Bohrung ist, ist aus dem Artikel von
G. THIEN, Entwicklungsarbeiten an Ventilkanälen von Viertaktdieselmotoren, ÖIZ,
Heft 9, Jg. 8, bekannt.
Es gilt also DI = f*D2. b) Während des Produktionsprozesses wird der Einlasskemkasten durch Erosion, hervorge- rufen durch das Schiessen der Sandkerne, abgenützt. Davon ist auch der sensible Teil des
Spiraleneinlaufes, die Spiralenzunge, betroffen. Dies führt im allgemeinen zu einer zunehmenden Absenkung des Dralles mit der Produktionszeit.
Im Fall a) wurde bisher ein eigener Kernkasten mit anderem Drall, also ein anderer Zylinderkopfabguss, verwendet, oder ein Kompromiss in der Verbrennungsqualität in Kauf genommen.
Im Falle b) wird nach bestimmten Produktionszeiten ein neuer Kemkasten zur Sandkernherstellung eingesetzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden und bei einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine den Drall eines Spiralkanales auf möglichst einfache Weise auf eine vordefinierte Höhe anpassen zu können.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Strömungsquerschnitt der Kanalspirale für maximalen Drall ausgelegt ist und durch eine materialabtragende Nachbearbeitung der Spiralenzunge der Kanalspirale vom ursprünglichen minimalen Strömungsquerschnitt für maximalen Drall auf einen Strömungsquerschnitt für einen gewünschten verminderten Drall erweitert ist. Dadurch wird es möglich, durch nachträgliche Bearbeitung den Drall eines drallerzeugend ausgebildeten Einlasskanales individuell auf die jeweiligen Erfordernisse einzustellen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Nachbearbeitung durch ein rotationssymmetrisches, vorzugsweise spanabhebendes Werkzeug, besonders vorzugsweise einen Stirnfräser erfolgt, dessen Achse zur Ventilsitzebene um einen Winkel zwischen 20 und 90 , vorzugsweise zwischen 45 bis 65 , besonders vorzugsweise um etwa 55 Grad geneigt ist. Dadurch wird der Strömungsquerschnitt vor der Kanalspirale vergrössert, wodurch die Drallwerte deutlich abgesenkt werden können.
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Eine tangentiale Bearbeitung im Bereich der Spiralenzunge wird erreicht, wenn die Achse in Richtung der Zylinderachse betrachtet, entgegen dem Strömungszulauf in die Kanalspirale gerichtet ist und vorzugsweise zu einer durch die Zylinderachse und die Ventilmitte aufgespannten ersten Bezugsebene einen Winkel zwischen etwa 40 und 140 , vorzugsweise zwischen etwa 65 und 115 , besonders vorzugsweise etwa 550 einschliesst, wobei weiters vorgesehen sein kann, dass der Schnittpunkt der Achse des Werkzeuges mit einer Ventilsitzebene von der Ventilachse beabstandet ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Schnittpunkt von einer zweiten Bezugsebene, welche durch die Ventilachse und eine Parallele zur Achse aufgespannt ist, um einen Abstand von-0, 3 bis +0, 3 mal dem Ventilsitzdurchmesser entfernt ist.
Diese Bearbeitung erzeugt eine "Scharte" in der Kanalwand im Bereich der Spiralenzunge und führt zu deutlich abgesenkten Drallwerten.
Eine ausgeprägte Drallabsenkung kann erreicht werden, wenn der Schnittpunkt zu einer auf die zweite Bezugsebene normalen dritten Bezugsebene durch die Ventilachse einen Abstand zwischen-0, 3 und +0, 3 mal dem Ventilsitzdurchmesser aufweist. Der Schnittpunkt liegt dabei vorzugsweise auf der stromabwärtigen Seite der dritten Bezugsebene. Der Schnittpunkt kann aber auch auf der stromaufwärtigen Seite der dritten Bezugsebene liegen.
Der gewünschte Drall kann durch geeignete Wahl der Lage des Schnittpunktes der Achse mit der Ventilsitzebene, der Neigung und Orientierung der Achse, sowie durch die Form der Bearbeitungsfläche eingestellt werden.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Bearbeitungsfläche zylindersegmentförmig ist und einen dem Werzeugdurchmesser entsprechenden Bearbeitungsdurchmesser aufweist, der zwischen 0, 2 und 0, 6 mal dem Ventilsitzdurchmesser beträgt. Anstelle eines zylindrischen Werkzeuges kann auch ein konisches Werkzeug eingesetzt werden, wobei die besten Ergebnisse erzielt wurden, wenn die Bearbeitungsfläche kegelsegmentförmig ist und der Bearbeitungsdurchmesser in einem Bereich zwischen 0, 2 und 0, 6 mal dem Ventilsitzdurchmesser liegt.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Zylinderkopf mit dem erfindungsgemässen Spiralkanal in einer zylinderseitigen Ansicht, Fig. 2 eine Schnitt gemäss der Linie 11-11 in Fig. 1 und Fig. 3 eine Schrägansicht auf den Zylinderkopf in Richtung der Werkzeugachse.
Die Figuren zeigen schematisch einen Zylinderkopf 1 einer Brennkraftmaschine mit einem in einen Zylinder 2 mündenden drallerzeugenden Einlasskanal 3, welcher im Bereich des Einlaufes in den Zylinder 2 eine Kanalspirale 3a mit einer Spiralenzunge 3b aufweist. Der Drall der Eintrittsluft wird hauptsächlich durch den mit V gekennzeichneten Querschnittsbereich des Einlasskanales 3 bestimmt. Je grösser der Strömungsquerschnitt V wird, um so geringer sind die Strömungsgeschwindigkeiten und der erzeugte Drall.
Die Kanalform des Einlasskanales 3 ist insbesondere im Bereich des Strömungsquerschnittes V für maximalen Drall ausgelegt. Um den Drall auf einen bestimmten Höchstbetrag zu reduzieren, wird ein nachträglicher Materialabtrag durchgeführt, wobei beispielsweise ein
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spanabhebendes Werkzeug 7 wie ein Stimfräser in einem Winkel ss zur Ventilachse 4 eines nicht weiter dargestellten Hubventiles in die Kanalspirale 3a so eingeführt wird, dass eine materialabtragende Nachbearbeitung der Spiralzunge 3b erfolgt. Es kann aber auch eine spanlose Bearbeitung mit einem entsprechenden Werkzeug durchgeführt werden. Mit Bezugszeichen 4a ist die Ventilführung des Hubventiles bezeichnet.
Der Winkel ss beträgt dabei zwischen 20 und 90 , vorzugsweise etwa 55 , wobei-im Grundriss betrachtet-die Achse 7a des Werkzeuges in Richtung des Strömungseinlaufes in die Kanalspirale 3a gerichtet ist. In der in Fig. 1 gezeigte Variante schliesst dabei die Achse 7a des Werkzeuges zu einer ersten Bezugsebene 6 einen Winkel a zwischen etwa 40 und 140 , insbesondere zwischen 65 und 115 , vorzugsweise etwa 90 , ein. Die Bezugsebene 6 wird definiert durch die Zylinderachse 2a und die Ventilsitzmitte M im Bereich der Ventilsitzebene 5.
Der Schnittpunkt S der Achse 7a des Werkzeuges 7 mit einer Ventilsitzebene 5 der Ventilsitzfläche 5a ist dabei von der Ventilachse 4 beabstandet, wobei der Abstand E zwischen dem Schnittpunkt S und einer zweiten Bezugsebene 8, welche von der Ventilachse 4 und einer Parallelen 8a zur Achse 7a des Werkzeuges 7 aufgespannt wird, etwa-0, 3 und +0, 3 mal dem Ventilsitzdurchmesser dv beträgt. Der Schnittpunkt S weist weiters zu einer dritten Bezugsebene 9, welche normal auf die zweite Bezugsebene 8 durch die Ventilachse 4 verläuft, einen Abstand K auf, der zwischen-0, 3 und +0, 3 mal dem Ventilsitzdurchmesser dv beträgt.
Die bei der nachträglichen materialabtragenden Bearbeitung entstehende Bearbeitungsfläche B kann die Form eines Zylinder- oder Kegelsegementes oder eine beliebige rotationssymmetrische Form aufweisen, wobei - bei Verwendung eines konischen Werkzeuges - der Bearbeitungsdurchmesser Db in Strömungsrichtung zunimmt. Bei einem zylindrischen Werkzeug kann der Bearbeitungsdurchmesser Db zwischen 0, 2 und 0, 6 mal dem Ventilsitzdurchmesser dv liegen. Hat das Werkzeug eine kegelige Form, so liegt der Bearbeitungsdurchmesser Db vorteilhafter Weise in einem Bereich zwischen 0, 2 und 0, 6 mal dem Ventilsitzdurchmesser
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Fig. 3 zeigt den Zylinderkopf 1 in einer Schrägansicht von unten in Richtung der Achse 7a des materialabtragenden Werkzeuges 7. Deutlich ist die durch das Werkzeug 7 erzeugte schartenartige Bearbeitungsfläche B zu erkennen.
Mit den kurzstrichlierten Linien ist der unbearbeitete Kanalverlauf Bo angedeutet.
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The invention relates to a swirl-producing inlet duct of an internal combustion engine, which opens into a cylinder via a duct spiral having a spiral tongue.
For various reasons, it may be desirable to change the swirl of a spiral channel through measures in production. Such reasons can be: a) Two motors of a motor family have the same bore but different ones
Stroke. If you now use the same cylinder head and thus the same intake ports for both variants, the swirl Di of the engine with a smaller stroke would be around the
Factor f = hi / h be smaller than the twist D2 of the motor with a large stroke h2. That the
Twist count is proportional to the stroke / bore ratio, is from the article by
G. THIEN, development work on valve channels of four-stroke diesel engines, ÖIZ,
Issue 9, vol. 8, known.
Hence DI = f * D2. b) During the production process, the inlet core box is worn down by erosion, caused by the shooting of the sand cores. The sensitive part of the
Spiral enema, the spiral tongue, affected. This generally leads to an increasing decrease in the twist with the production time.
In case a), a separate core box with a different twist, i.e. a different cylinder head cast, was previously used, or a compromise in the combustion quality was accepted.
In case b) a new core box is used for sand core production after certain production times.
The object of the invention is to avoid the disadvantages mentioned and to be able to adapt the swirl of a spiral channel to a predefined height in the simplest possible way in a cylinder head of an internal combustion engine.
According to the invention, this is achieved in that the flow cross-section of the channel spiral is designed for maximum swirl and is expanded from the original minimum flow cross-section for maximum swirl to a flow cross-section for a desired reduced swirl by a material-removing reworking of the spiral tongue of the channel spiral. This makes it possible to adjust the swirl of a swirl-generating inlet duct individually to the respective requirements by subsequent processing.
In a particularly preferred embodiment variant, it is provided that the finishing is carried out by a rotationally symmetrical, preferably cutting tool, particularly preferably a face milling cutter, the axis of which is inclined to the valve seat plane by an angle between 20 and 90, preferably between 45 to 65, particularly preferably about 55 degrees is. This increases the flow cross-section in front of the channel spiral, which means that the swirl values can be significantly reduced.
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Tangential machining in the area of the spiral tongue is achieved if the axis is viewed in the direction of the cylinder axis, is directed counter to the flow inlet into the channel spiral and is preferably at an angle between approximately 40 and 140, preferably between, to a first reference plane spanned by the cylinder axis and the valve center about 65 and 115, particularly preferably about 550, wherein it can further be provided that the intersection of the axis of the tool with a valve seat plane is spaced from the valve axis. It is particularly advantageous if the point of intersection is a distance of -0.3 to +0.3 times the valve seat diameter from a second reference plane which is spanned by the valve axis and a parallel to the axis.
This processing creates a "notch" in the channel wall in the area of the spiral tongue and leads to significantly reduced swirl values.
A pronounced swirl reduction can be achieved if the point of intersection with a third reference plane normal to the second reference plane through the valve axis has a distance between -0.3 and +0.3 times the valve seat diameter. The intersection point is preferably on the downstream side of the third reference plane. The intersection can also be on the upstream side of the third reference plane.
The desired swirl can be set by a suitable choice of the position of the intersection of the axis with the valve seat plane, the inclination and orientation of the axis, and by the shape of the machining surface.
It can be provided that the machining surface is in the form of a cylindrical segment and has a machining diameter corresponding to the tool diameter, which is between 0.2 and 0.6 times the valve seat diameter. Instead of a cylindrical tool, a conical tool can also be used, the best results being achieved if the machining surface is in the shape of a cone segment and the machining diameter is in a range between 0.2 and 0.6 times the valve seat diameter.
The invention is explained in more detail with reference to the figures. 1 shows a cylinder head with the spiral channel according to the invention in a cylinder-side view, FIG. 2 shows a section along the line 11-11 in FIG. 1 and FIG. 3 shows an oblique view of the cylinder head in the direction of the tool axis.
The figures schematically show a cylinder head 1 of an internal combustion engine with a swirl-generating inlet channel 3 opening into a cylinder 2, which has a channel spiral 3a with a spiral tongue 3b in the area of the inlet into the cylinder 2. The swirl of the inlet air is mainly determined by the cross-sectional area of the inlet duct 3 marked with V. The larger the flow cross-section V, the lower the flow velocities and the swirl generated.
The channel shape of the inlet channel 3 is designed in particular in the area of the flow cross section V for maximum swirl. To reduce the twist to a certain maximum amount, a subsequent material removal is carried out, for example a
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Cutting tool 7, such as a milling cutter, is inserted into the channel spiral 3a at an angle ss to the valve axis 4 of a lifting valve, not shown, in such a way that material-removing reworking of the spiral tongue 3b takes place. However, non-cutting machining can also be carried out using an appropriate tool. The valve guide of the lift valve is designated by reference symbol 4a.
The angle ss is between 20 and 90, preferably about 55, wherein - viewed in plan - the axis 7a of the tool is directed in the direction of the flow inlet into the channel spiral 3a. In the variant shown in FIG. 1, the axis 7a of the tool forms an angle a between about 40 and 140, in particular between 65 and 115, preferably about 90, to a first reference plane 6. The reference plane 6 is defined by the cylinder axis 2a and the valve seat center M in the region of the valve seat plane 5.
The intersection S of the axis 7a of the tool 7 with a valve seat plane 5 of the valve seat surface 5a is spaced from the valve axis 4, the distance E between the intersection S and a second reference plane 8, which is from the valve axis 4 and a parallel 8a to the axis 7a of the tool 7 is clamped, is approximately -0.3 and +0.3 times the valve seat diameter dv. The intersection point S also has a distance K from a third reference plane 9, which extends normally to the second reference plane 8 through the valve axis 4, which is between −0.3 and +0.3 times the valve seat diameter dv.
The machining surface B which arises during the subsequent material-removing machining can have the shape of a cylinder or cone segment or any rotationally symmetrical shape, the machining diameter Db increasing in the flow direction when a conical tool is used. In the case of a cylindrical tool, the machining diameter Db can be between 0.2 and 0.6 times the valve seat diameter dv. If the tool has a conical shape, the machining diameter Db is advantageously in a range between 0.2 and 0.6 times the valve seat diameter
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3 shows the cylinder head 1 in an oblique view from below in the direction of the axis 7a of the material-removing tool 7. The plate-like machining surface B generated by the tool 7 can be clearly seen.
The unprocessed channel course Bo is indicated by the short dashed lines.