DD234998A3

DD234998A3 - CYLINDER HEAD WITH INTAKE DUCT CHANNEL

Info

Publication number: DD234998A3
Application number: DD83249970A
Authority: DD
Inventors: Walter Frantz; Hans-Juergen Kampmann; Werner Korn; Joachim Steinmueller; Horst Suelzle
Original assignee: Ifa Motorenwerke
Priority date: 1983-04-19
Filing date: 1983-04-19
Publication date: 1986-04-23

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. 2The invention relates to diesel engines with direct injection or on Fremdzuendungsmotoren, in which an air rotation generated in the intake swirl duct is used for mixture formation and combustion. In order to improve fuel consumption, smoke behavior and medium pressure, the natural swirl behavior of the intake swirl duct is to be influenced in such a way that an approximately constant swirl number results over the valve lift and also the maximum swirl number can be changed. According to the invention, this is achieved by combining several solution features. In the area of the main flow direction of the combustion air, the cylindrical inlet valve inlet receives an eccentric recess, which adjoins the valve seat and covers approximately half of the circumference of the recess; the rest of the circumference has a much smaller centric Rundumfase. There is a recess in the valve seat ring, which constantly limits the valve seat width to the inside. The cylinder head floor has a flat depression, which corresponds essentially to the Brennraumoeffnung and whose depth allows a buendigen conclusion with the valve plates. Fig. 2

Description

Field of application of the invention

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.The invention is mainly used in diesel engines with direct injection and spark-ignition engines for the application, as far as the mixture formation and combustion used in the Eingangsdrallkanai air rotation is used.

Charakterisitik der bekannten technischen Lösungen -Characteristic of the known technical solutions -

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.In combustion processes of the type described, the quantitative design of the swirl with respect to fuel consumption, medium pressure and smoke density is very important. Ideal would be a swirl adaptation for each operating point. In the known and customary optimized inlet channel shapes mitkieinstmöglichen channel resistance increases the swirl intensity at the same air flow rate approximately linear with increasing valve lift to; the variants of this twist characteristic are set narrow limits. Similar conditions are present in the use of umbrella valves and guide devices, here by adjustable embodiments, a certain influence of swirl height and course is conceivable. The great effort, the inadequate functional reliability and the high channel resistance obviously prevented the application of such solutions. The starting point of the present invention is a cylinder head with inlet swirl duct, wherein the inlet valve seat - seen in the flow direction - a centrally formed into the cylinder head floor to the valve, clearly pronounced Rundumfase followed (DE-PS 1956351). Although this widely used in engine design avoids largely obstructing the valve gap passing combustion air; However, there is no influence on the swirl characteristic or on the swirl profile as a function of the valve lift. This Rundumfase counteracts effective swirl generation, since the released at the valve opening outlet cross-section does not take into account the asymmetrical velocity image of the combustion air, which is generated by the shape of the swirl chamber. Finally, a dead space increase is associated with a strongly trained Rundumfase. Overall, it is clear that this inlet twist channel design represents a technical compromise that is unacceptable for certain applications.

Object of the invention

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.The invention should be improved with structurally and technologically simple swirl-influencing measures in the region of the valve seat and cylinder head floor fuel consumption, smoking behavior and medium pressure, i. the swirl can be optimally adapted to the combustion process.

Explanation of the essence of the invention

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.The technical object of the invention is to influence the swirl characteristic over the valve lift in such a way that the natural swirl behavior of the intake swirl duct (increasing swirl number with increasing valve lift) is changeable up to an approximately constant swirl number over the valve stroke. It should also be possible, in a sense, to influence the maximum swirl number, and the solvents should be useful for a longer swirl maintenance.

Bestandteil der technischen Aufgabenstellung ist die Forderung, daß keines der erfindungsgemäßen Merkmale zu einer Änderung der Kontur des Einlaßdrallkanals führen darf.Part of the technical task is the requirement that none of the features according to the invention may lead to a change in the contour of the intake swirl duct.

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 spätererThe solution to this problem according to the invention consists in the combination of active, swirl-producing and passive, swirl-preserving features. On the one hand, the cylindrical recess for the intake valve mounted in the cylinder head floor has a sickle nose whose radius point does not lie on the valve axis, whose inclination for the purpose of a streamlined continuation substantially corresponds to the valve seat angle and which is about half the circumference of the Engraving detected, thereby becoming narrower towards both ends. The rest of the peripheral area of the recess has a uniform Rundumfase that either coincides with the angle of the sickle-foot or even steeper inclined and significantly narrower than this is carried out; In certain cases, this Rundumfase can even be omitted. In addition, the cylinder head floor between the inlet and outlet valve in the region of the piston combustion chamber has a flat depression whose depth results in a flush termination with the valve plates. This depression is dimensioned in its width or its diameter such that the opening of the Koibenbrennraumes is substantially covered. By a known per se, preferably cylindrical recess in the bulbous inner contour of the valve seat ring is finally ensured that the width of the valve seat even at later

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 angelegtePost-processing remains constant and the optimized twist characteristics do not noticeably worsen. The inner contour of the Ventiisitzringes should be such that a created in the region of the tear caused by the tear-off

Tangente außerhalb des Ventilsitzes liegt. Tangent outside the V entilsitze s li egt.

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.Due to the special chamfering at the outlet opening of the inlet swirl duct is achieved that down to the small valve strokes equal to the swirl numbers at large valve strokes, which approaches with increasingly strong training of Rundumfase the swirl Verierveriauf the usual swirl passage. To some extent, the absolute swirl height can be influenced. In this way it is possible to increase the swirl number of the entire cylinder charge at the end of the intake stroke by up to 20% compared to the value of a conventional swirl duct without interfering with the actual swirl duct contour. While the chamfer design predominantly acts on twist characteristics and height, the other features are mainly used for swirl maintenance. Thus, it is possible by the cylindrical rotation in the immediate vicinity of the valve seat to secure the once-optimized swirl characteristics, without the constant width valve seat takes in its original form or after regrinding an interfering influence.

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.The level depression in the cylinder head floor above the piston combustion chamber contributes significantly to reduce the Drailabbau due to wall friction. This measure is particularly effective because it comes into play especially at the TDC position of the piston, where air density and Drali number are the largest.

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. :The features according to the invention thus enable either a significantly more intensive charge movement in the combustion chamber or, if such is not necessary, with a lower swirl height to be generated and thus a lower channel resistance, a better delivery of the engine. :

Ausführungsbeispiei

Anhand eines Ausführungsbeispieles wird die Erfindung näher beschrieben. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:Reference to an embodiment of the invention will be described in more detail. In the accompanying drawing show:

Fig. 1: eine Ansicht des Zylinderkopfbodens mit Ein-und Auslaßventil,1 is a view of the cylinder head floor with inlet and outlet valve,

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.Fig. 2 is a sectional view of the intake valve according to the line A-A in Fig. 1 and Fig. 3: a sectional view with partial view of the exhaust valve according to the line C-D in Fig. 1st

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.In the part of the cylinder head floor 1 shown in Fig. 1, both the inlet swirl duct 2 and the outlet channel, which is closed here by the outlet valve 3 opens. The spatial assignment is clear by the dash-dotted registered piston circumference 4. The main flow direction 5 of the combustion chamber passing through the combustion air resulting from the ptsprechenden training of the inlet swirl duct 2 and is favored by the inventively provided sickle 6.

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 MaßnahmenThis Sichelfase 6 is formed by an eccentric to the valve axis 7 milled with the radius 8 in the edge 9 of the cylindrical recess for the valve seat ring 10, as shown in FIG. 2 shows enlarged. The radius 8 corresponds essentially to that of the gen. Depression whose edge 9 has a uniform circumferential chamfer 11 outside the sickle 6. The angle of the sickle 6 coincides with the valve seat angle or is even flatter; the angle of the Rundumfase 11 is equal to the valve seat angle or steeper. This combined chamfer design guarantees! on the one hand the desired by a targeted swirl characteristic optimal inlet twist and also prevents association with the proposed measures

am Ventijsitzring 10 ein Ansteigen des Durchströmwiderstandes.at Ventijsitzring 10 an increase in Durc hströmwiderstandes.

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.To preserve the flow conditions in the valve gap area of the inlet radius, ie the bulbous inner contour of Ventiisitzringes 10 in its lower part, as already proposed, provided with a cylindrical recess 12, so that the valve seat with the free seat edge height 13 the requirements in terms of manufacturing, function and repair fully complies. The inlet radius must be designed so that a tangent formed in the region of the tear-off edge 14, which is formed by the recess 12, lies outside the valve seat. Thanks to the action of the tear-off edge 14, the recess 12 is located in the flow shadow of the combustion air passing through the valve gap. Such an intake valve region has a swirl-preserving streamlined design, since in particular in the case of small and medium valve strokes, the considerably higher swirl numbers are not reduced here.

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.In the area between the inlet valve and exhaust valve 3, the cylinder head base 1 has a flat recess 15 which, according to FIG. 3, is flush with the underside of the valves and should substantially cover the opening of the piston combustion chamber 16. In the example shown, it is a circular depression; but also conceivable is a running between the valves lane whose width should correspond substantially to the diameter of the combustion chamber opening.

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.The most important criterion for the size of this depression 15 is the requirement for the smallest possible dead space. The recess 15 should therefore not go beyond the projected on the cylinder head floor combustion chamber opening. Due to this design of the cylinder head floor in the combustion chamber area all significant fissures and projections, which otherwise cause sinen strong swirl degradation, especially in the TDC position of the piston eliminated.

Claims

Invention claim:

1. Cylinder head with inlet swirl duct, which is attached in the flow direction behind the valve seat, clearly marked, at least inclined Rundumfase in the region of the intake valve, characterized in that the following features are used in combination:

- A cylindrical recess in the cylinder head floor (1) for the intake valve has in the main flow direction (5) of the combustion air in the valve gap a similar valve seat angle inclined, this quasi without disturbing edges continuing sickle (6) which is eccentric to the valve axis (7) incorporated and detects about half the circumference of the depression,

The rest of the peripheral area of the depression has a circumferential chamfer (11) arranged centrally with respect to the axis of the vent (7), with a slope which is the same or steeper as the sickle (6), but of lesser depth,

- The bulbous inner contour of the valve seat ring (10) has a known, preferably to the valve axis (7) parallel and rectangular recess (12) in which in the region of the tear edge (14) for the air flow tangent remains outside the valve seat,

- The cylinder head floor (1) has above the piston combustion chamber (16) has a flat recess (15) which covers the opening of the piston combustion chamber (16) by a corresponding dimensioning of width or diameter substantially and the depth of a flush termination with the valve dividers of Inlet and outlet valve allows.

2. Cylinder head according to item 1, characterized in that the equipped with a sickle (6) cylindrical recess

designed for the intake valve without Rundumfase.

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