DD234998A3 - Zylinderkopf mit einlassdrallkanal - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Dieselmotoren mit Direkteinspritzung bzw. auf Fremdzuendungsmotoren, bei denen zur Gemischbildung und Verbrennung eine im Einlassdrallkanal erzeugte Luftdrehung benutzt wird. Um Kraftstoffverbrauch, Rauchverhalten und Mitteldruck zu verbessern, soll das natuerliche Drallverhalten des Einlassdrallkanals dahingehend beeinflusst werden, dass sich eine etwa konstante Drallzahl ueber dem Ventilhub ergibt und auch die maximale Drallzahl aenderbar wird. Erfindungsgemaess gelingt dies durch die Kombination mehrerer Loesungsmerkmale. Im Bereich der Hauptstroemungsrichtung der Verbrennungsluft erhaelt die zylindrische Einsenkung fuer das Einlassventil eine exzentrisch zur Ventilachse eingearbeitete Sichelfase, die sich an den Ventilsitz anschliesst und etwa die Haelfte des Umfanges der Einsenkung erfasst; der restliche Umfang besitzt eine deutlich kleinere zentrische Rundumfase. Im Ventilsitzring befindet sich eine Ausdrehung, die die Ventilsitzbreite nach innen konstant begrenzt. Der Zylinderkopfboden weist eine ebene Vertiefung auf, die im wesentlichen der Brennraumoeffnung entspricht und deren Tiefe einen buendigen Abschluss mit den Ventiltellern ermoeglicht. Fig. 2

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung kommt vor allem bei Dieselmotoren mit Direkteinspritzung und bei Fremdzündungsmotoren zur Anwendung, soweit zur Gemischbildung und Verbrennung eine im Einlaßdrallkanai erzeugte Luftdrehung benutzt wird.

Charakterisitik der bekannten technischen Lösungen -

Bei Verbrennungsverfahren der bezeichneten Art kommt der quantitativen Bemessung des Dralles im Hinblick auf Kraftstoffverbrauch, Mitteldruckund Rauchdichte eine sehr große Bedeutung zu. Ideal wäre eine Drallanpassung für jeden Betriebspunkt. Bei den bekannten und üblichen optimierten Einlaßkanalformen mitkieinstmöglichen Kanalwiderstand nimmt die Drallintensität bei gleichem Luftdurchsatz etwa linear mit größerwerdendem Ventilhub zu; der Varianten dieser Drallcharakterisitksind enge Grenzen gesetzt. Ähnliche Verhältnisse liegen bei der Anwendung von Schirmventilen und Leiteinrichtungen vor, wobei hier durch verstellbare Ausführungen eine gewisse Beeinflussung von Drallhöhe und -verlauf denkbar ist. Der große Aufwand, die nicht ausreichende Funktionssicherheit und die hohen Kanalwiderstände verhinderten ganz offensichtlich bisher eine Anwendung solcher Lösungen. Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Zylinderkopf mit Einlaßdrallkanai, wobei sich dem Einlaßventilsitz — in Strömungsrichtung gesehen — eine in den Zylinderkopfboden zentrisch zum Ventil eingearbeitete, deutlich ausgeprägte Rundumfase anschließt (DE-PS 1956351). Diese im Motorenbau sehr verbreitete Ausführung vermeidet zwar weitgehend eine Behinderung der den Ventilspalt passierenden Verbrennungsluft; eine Einflußnahme auf die Drallcharakteristik bzw. auf den Drallverlauf in Abhängigkeit vom Ventilhub findet jedoch nicht statt. Diese Rundumfase wirkt einer effektiven Drallerzeugung entgegen, da der bei der Ventilöffnung freigegebene Austrittsquerschnitt nicht dem unsymmetrischen Geschwindigkeitsbild der Verbrennungsluft, das durch die Formgebung des Drallkänals erzeugt wird, Rechnung trägt. Schließlich ist mit einer stark ausgebildeten Rundumfase eine Schadraumerhöhung verbunden. Insgesamt wird daraus deutlich, daß auch diese Einlaßdrallkanalausführung einen technischen Kompromiß darstellt, der für bestimmte Einsatzfälle nicht akzeptabel ist.

Ziel der Erfindung

Durch die Erfindung sollen mit konstruktiv wie technologisch einfachen drallbeeinflussenden Maßnahmen im Bereich des Ventilsitzes und Zylinderkopfbodens Kraftstoffverbrauch, Rauchverhalten und Mitteldruck verbessert, d.h. der Drall optimal an das Verbrennungsverfahren angepaßt werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die technische Aufgabe der Erfindung bestehtdarin, die Drallcharakteristik über dem Ventilhub in der Weise zu beeinflussen, daß das natürliche Drallverhalten des Einlaßdrallkanals (steigende Drallzahl mit zunehmendem Ventilhub) änderbar ist bis hin zu etwa konstanter Drallzahl über dem Ventiihub. Dabei soll sich in gewissem Sinn auch die maximale Drallzahl beeinflussen lassen, und die Lösungsmittel sollen einer längeren Drallerhaltung dienlich sein.

Bestandteil der technischen Aufgabenstellung ist die Forderung, daß keines der erfindungsgemäßen Merkmale zu einer Änderung der Kontur des Einlaßdrallkanals führen darf.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in der Kombination von aktiven, drallerzeugenden und passiven, drallerhaltenden Merkmalen. Zum einen besitzt die im Zyiinderkopfboden angebrachte zylindrische Einsenkung für das Einlaßventil im 8ereich der größten Ausströmgeschwindigkeit der Verbrennungsluft eine Sichelfase, deren Radiuspunkt nicht auf der Ventilachse liegt, deren Neigung zum Zwecke einer strömungsgünstigen Fortsetzung im wesentlichen dem Ventilsitzwinkel entspricht und die etwa die Hälfte des Umfanges der Eindrehung erfaßt, dabei nach beiden Enden hin immer schmaler werdend. Der übrige Umfangsbereich der Einsenkung weist eine gleichmäßige Rundumfase auf, die entweder mit dem Winkel der Sichelfase übereinstimmt oder noch steiler geneigtund deutlich schmaler als diese ausgeführt ist; in bestimmten Fällen kann diese Rundumfase sogar entfallen. Darüber hinaus besitzt der Zylinderkopfboden zwischen dem Ein- und Auslaßventil im Bereich des Kolbenbrennraumes eine ebene Vertiefung, deren Tiefe einen bündigen Abschluß mit den Ventiltellern ergibt. Diese Vertiefung ist in ihrer Breite bzw. ihrem Durchmesser derart bemessen, daß die Öffnung des Koibenbrennraumes im wesentlichen überdeckt wird. Durch eine an sich bekannte, vorzugsweise zylindrische Ausdrehung in der bauchigen Innenkontur des Ventilsitzringes wird schließlich gewährleistet, daß die Breite des Ventilsitzes auch bei späterer

Nachbearbeitung konstant bleibt und sich die optimierten Drallcharakteristiken nicht spürbar verschlechtern. Die Innenkontur des Ventiisitzringes soll dabei so verlaufen, daß eine im Bereich der durch die Ausdrehung entstehenden Abreißkante angelegte

Tangente außerhalb des Ventilsitzes liegt.

Durch die besondere Fasengestaltung an der Austrittsöffnung des Einlaßdrallkanals wird erreicht, daß bis hinunter zu den kleinen Ventilhüben die Drallzahlen denen bei großen Ventilhüben gleichen, wobei sich mit zunehmend stärkerer Ausbildung der Rundumfase der Drallveriauf dem des üblichen Drallkanals nähert. In gewissem Maße ist auch die absolute Drallhöhe beeinflußbar. Auf diese Weise gelingt es, ohne Eingriffe in die eigentliche Drallkanalkontur die Drallzahl der gesamten Zylinderladung am Ende des Ansaughubes um bis zu 20% gegenüber dem Wert eines üblichen Drallkanales zu erhöhen. Während die Fasengestaltung vorwiegend auf Drallcharakteristik und -höhe wirkt, dienen die übrigen Merkmale vor allem der Drallerhaltung. So ist es durch die zylindrische Ausdrehung in unmittelbarer Nähe des Ventilsitzes möglich, die einmal optimierten Drallcharakteristiken zu sichern, ohne daß der konstant breite Ventilsitz in seiner Ausgangsform oder nach dem Nachschleifen darauf einen störenden Einfluß nimmt.

Die ebene Vertiefung im Zylinderkopfboden über dem Kolbenbrennraum trägt maßgeblich dazu bei, den Drailabbau infolge Wandreibung zu verringern. Diese Maßnahme ist insbesondere deshalb so wirksam, weil sie vor allem bei der OT-Stellung des Kolbens zum Tragen kommt, wo Luftdichte und Dralizahl am größten sind.

Die erfindungsgemäßen Merkmale ermöglichen also entweder eine deutlich intensivere Ladungsbewegung im Brennraum oder, falls eine solche nicht notwendig ist, bei einer niedrigeren zu erzeugenden Drallhöhe und damit einem geringeren Kanalwiderstand eine Liefergradverbesserung des Motors. :

Ausführungsbeispiei

Anhand eines Ausführungsbeispieles wird die Erfindung näher beschrieben. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1: eine Ansicht des Zylinderkopfbodens mit Ein-und Auslaßventil,

Fig. 2: eine Schnittdarstellung des Einlaßventils entsprechend der Linie A-A in Fig. 1 und Fig. 3: eine Schnittdarstellung mit Teilansicht des Auslaßventils entsprechend der Linie C-D in Fig. 1.

In den in Fig. 1 dargestellten Teil des Zylinderkopfbodens 1 mündet sowohl der Einlaßdrallkanal 2 als auch der Auslaßkanal, der hier durch das Auslaßventil 3 verschlossen ist. Die räumliche Zuordnung wird durch den strichpunktiert eingetragenen Kolbenumfang 4 deutlich. Die Hauptströmungsrichtung 5 der den Ventilspalt passierenden Verbrennungsluft ergibt sich aus der sntsprechenden Ausbildung des Einlaßdrallkanals 2 und wird durch die erfindungsgemäß vorgesehene Sichelfase 6 begünstigt.

Diese Sichelfase 6 entsteht durch eine zur Ventilachse 7 exzentrische Einfräsung mit dem Radius 8 in den Rand 9 der zylindrischen Einsenkung für den Ventilsitzring 10, wie Fig. 2 ergänzend vergrößert zeigt. Der Radius 8 entspricht dabei im wesentlichen dem der gen. Einsenkung, deren Rand 9 außerhalb der Sichelfase 6 eine gleichmäßige Rundumfase 11 aufweist. Der Winkel der Sichelfase 6 stimmt mit dem Ventilsitzwinkel überein oder ist noch flacher; der Winkel der Rundumfase 11 ist gleich dem Ventilsitzwinkel oder steiler. Diese kombinierte Fasengestaltung gewährleistet! einerseits den durch eine gezielte Drallcharakteristik gewünschten optimalen Einlaßdrall und verhindert zudem ein Verein mit den vorgeschlagenen Maßnahmen

am Ventijsitzring 10 ein Ansteigen des Durchströmwiderstandes.

Zur Erhaltung der Stromungsbedingungen im Ventilspaltbereich ist der Einlaufradius, also die bauchige Innenkontur des Ventiisitzringes 10 in seinem unteren Teil, wie an sich bereits vorgeschlagen, mit einer zylindrischen Ausdrehung 12 versehen, so daß der Ventilsitz mit der freien Sitzkantenhöhe 13 den Forderungen bezüglich Fertigung, Funktion und Instandsetzung voll entspricht. Der Einlaufradius muß dabei so ausgebildet sein, daß eine im Bereich der Abreißkante 14, die durch die Ausdrehung 12 entsteht, gedacht angelegte Tangente außerhalb des Ventilsitzes liegt. Dank der Wirkung der Abreißkante 14 befindet sich die Ausdrehung 12 im Strömungsschatten der den Ventilspalt passierenden Verbrennungsluft. Ein derartiger Einlaßventilbereich weist eine drallerhaltende strömungsgünstige Gestaltung auf, da insbesondere bei kleinen und mittleren Ventilhüben die hier wesentlich höheren Drallzahlen nicht abgebaut werden.

In dem Bereich zwischen Einlaßventil und Auslaßventil 3 besitzt der Zylinderkopfboden 1 eine ebene Vertiefung 15, die gemäß Fig. 3 einerseits mit der Unterseite der Ventile bündig abschließen und andererseits die Öffnung des Kolbenbrennraumes 16 im wesentlichen überdecken soll. Im gezeigten Beispiel handelt es sich um eine kreisförmige Vertiefung; denkbar ist aber auch eine zwischen den Ventilen verlaufende Gasse, deren Breite im wesentlichen dem Durchmesser der Brennraumöffnung entsprechen sollte.

Wichtigstes Kriterium für die Größe dieser Vertiefung 15 ist die Forderung nach kleinstmöglichen Schadraum. Die Vertiefung 15 sollte also möglichst nicht über die auf den Zylinderkopfboden projizierte Brennraumöffnung hinausgehen. Durch diese Gestaltung des Zylinderkopf bodens im Brennraumbereich sind alle wesentlichen Zerklüftungen und Vorsprünge, die ansonsten sinen starken Drallabbau vor allem bei der OT-Stellung des Kolbens bewirken, beseitigt.

Claims (2)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Zylinderkopf mit Einlaßdrallkanal, dem sich im Bereich des Einlaßventiles eine in Strömungsrichtung hinter dem Ventilsitz angebrachte, deutlich ausgeprägte, zumindest geneigte Rundumfase anschließt, gekennzeichnet dadurch, daß folgende Merkmale kombiniert zur Anwendung gelangen:

   — eine zylindrische Einsenkung im Zylinderkopfboden (1) für das Einlaßventil besitzt im Bereich der Hauptströmungsrichtung (5) der Verbrennungsluft im Ventilspalt eine ähnlich dem Ventilsitzwinkel geneigte, diesen quasi ohne störende Kanten fortsetzende Sichelfase (6), die exzentrisch zur Ventilachse (7) eingearbeitet ist und etwa die Hälfte des Umfanges der Einsenkung erfaßt,

   — der übrige Umfangbereich der Einsenkung weist eine zentrisch zur Ventiiachse (7) angeordnete Rundumfase (11) mit im Verhältnis zur Sichelfase (6) gleicher oder steilerer Neigung, jedoch geringerer Tiefe auf,

   — die bauchige Innenkontur des Ventilsitzringes (10) besitzt eine an sich bekannte, vorzugsweise zur Ventilachse (7) parallele und rechtwinklige Ausdrehung (12), bei der eine im Bereich der Abreißkante (14) für den Luftstrom angelegte Tangente außerhalb des Ventilsitzes bleibt,

   — der Zylinderkopfboden (1) besitzt oberhalb des Kolbenbrennraumes (16) eine ebene Vertiefung (15), die die Öffnung des Kolbenbrennraumes (16) durch eine entsprechende Dimensionierung von Breite bzw. Durchmesser im wesentlichen überdeckt und deren Tiefe einen bündigen Abschluß mit den Ventilteilern von Ein- und Auslaßventil ermöglicht.
2. 2. Zylinderkopf nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die mit einer Sichelfäse (6) ausgestattete zylindrische Einsenkung

   für das Einlaßventil ohne Rundumfase ausgeführt ist.

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