DE10120303A1

DE10120303A1 - Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Einlasskanälen pro Zylinder

Info

Publication number: DE10120303A1
Application number: DE10120303A
Authority: DE
Inventors: Franz Hoedl; Reinhard Glanz
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2000-05-04
Filing date: 2001-04-25
Publication date: 2001-11-08
Anticipated expiration: 2021-04-26
Also published as: AT4876U1; DE10120303B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Einlasskanälen (3, 4) pro Zylinder (2), welche über Einlassöffnungen in einen Brennraum münden, wobei ein erster Einlasskanal (3) als Spiralkanal ausgebildet ist, der einen Bezugswinkel (alpha) größer als etwa 230 DEG aufweist, welcher Bezugswinkel in Richtung einer Drallströmung im Zylinder (2) definiert ist zwischen einer Ventilmittelpunkt (6) und Zylindermittelpunkt (7) verbindenden Geraden (8) einerseits und einem einen ersten Eintrittsquerschnitt (10) des ersten Einlasskanals (3) in einen Ventilraum (9) festlegenden, vom Ventilmittelpunkt (6) ausgehenden Radius andererseits, und wobei eine Tangente (11) einer im Bereich des ersten Eintrittsquerschnittes (10) in den Ventilraum (9) tangential eintretenden, einem zweiten Einlasskanal (4) benachbarten Kanalwand (12) zur Zylinderachse (13) einen Normalabstand von etwa 0 +/- 3% des Zylinderdurchmessers (D) aufweist. Um eine hohe Drallzahl (D¶Z¶) bei möglichst geringem Platzbedarf zu realisieren, ist vorgesehen, dass der Beginn (14) der Spiralzunge (15) vom Ventilmittelpunkt (6) einen Abstand (16) von etwa 95% +/- 10%, vorzugsweise etwa 95% +/- 5%, des inneren Ventilsitzdurchmessers (d¶v¶) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Einlasskanä len pro Zylinder, welche über Einlassöffnungen in einen Brennraum münden, wo bei ein erster Einlasskanal als Spiralkanal ausgebildet ist, der einen Bezugswinkel größer als etwa 230° aufweist, welcher Bezugswinkel in Richtung einer Drall strömung im Zylinder definiert ist zwischen einer Ventilmittelpunkt und Zylin dermittelpunkt verbindenden Geraden einerseits und einem einen ersten Ein trittsquerschnitt des ersten Einlasskanales in einen Ventilraum festlegenden, vom Ventilmittelpunkt ausgehenden Radius andererseits, und wobei eine Tangente einer im Bereich des ersten Eintrittsquerschnittes in den Ventilraum tangential eintretenden, einem zweiten Einlasskanal benachbarten Kanalwand zur Zylinder achse einen Normalabstand von etwa 0 +/- 3% des Zylinderdurchmessers auf weist.

Aus der AT 402 434 B ist ein Zylinderkopf für Brennkraftmaschinen mit zwei Ein lasskanälen pro Zylinder bekannt, von denen einer als Spiralkanal ausgebildet ist. Derartige Spiralkanäle weisen üblicherweise einen für eine optimale Drallzahl günstigen Bezugswinkel von etwa 180° zwischen dem ersten Eintrittsquerschnitt und einer den Ventilmittelpunkt und Zylindermittelpunkt verbindenden Geraden auf. Dies hat allerdings den Nachteil, dass für drallerzeugende Kanäle bei gewis sen Verhältnissen von Ventilposition und Flanschlage Zwänge entstehen, die ei nerseits eine optimale Auslegung der Kanäle hinsichtlich Drall und Durchfluss verhindern und die andererseits die Zylinderkopfstruktur und damit das Gussmo dell kompliziert werden lassen. Um bei zwei von einer gemeinsamen Flanschflä che ausgehenden Einlasskanälen pro Zylinder einen für eine optimale Drallzahl günstigen Bezugswinkel von 180° zu erreichen müssen manchmal stark ge krümmte und komplexe Kanalverläufe in Kauf genommen werden. So ist aus der AT 0 002 334 U1 eine Einlasskanalanordnung mit einem Spiralkanal und einem Tangentialkanal pro Zylinder bekannt, bei der der Einlasskanal zuerst in Richtung des benachbarten Zylinders führt und von der Seite des benachbarten Zylinders in den Ventilraum des Spiralkanales eintritt. Ein derartiger mäanderartiger Ver lauf des Einlasskanales ist allerdings sehr platzaufwendig und konstruktiv schwer zu realisieren.

Aus der US 5,765,525 A ist eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art bekannt, bei der der Spiralkanal einen Bezugswinkel von wesentlich mehr als 180° aufweist. Der Nachteil dieser Kanalanordnung ist allerdings, dass deutliche Einbußen in der Drallzahl in Kauf genommen werden müssen.

Weiters ist aus der EP 0 619 424 B1 eine Brennkraftmaschine mit zwei Einlass kanälen pro Zylinder bekannt, von denen der eine als Spiralkanal mit einem für eine optimale Drallzahl günstigen Bezugswinkel von etwa 180° und der andere Kanal als Tangentialkanal ausgebildet ist. Beide Einlasskanäle gehen von einer gemeinsamen Flanschfläche aus. Um durch den Tangentialkanal eine die Drall strömung des Spiralkanales unterstützende Strömung im Brennraum zu erzeu gen, weist die Wand des Tangentialkanales nahe der Mündung in den Brennraum eine Ausbuchtung auf, durch welche die Strömungsrichtung der Luft im Tangen tialkanal so umgekehrt wird, dass die Luft aus dem Tangentialkanal in der selben Richtung wie die Drallströmung aus dem Spiralkanal in den Brennraum strömt. Diese Ausbuchtung im Tangentialkanal stellt allerdings einen schwerwiegenden konstruktiven Eingriff in die Zylinderkopfstruktur dar und hat den Nachteil, dass die Strömung im Kühlmantel um den Tangentialkanal stark gestört wird. Zudem wird die Festigkeit des Zylinderkopfbodens beeinträchtigt, wodurch die Rissbil dung begünstigt wird.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden und eine Brenn kraftmaschine der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass mit möglichst geringem Bauraum eine hohe Drallzahl realisiert werden kann.

Erfindungsgemäß erfolgt dies dadurch, dass der Beginn der Spiralzunge vom Ventilmittelpunkt einen Abstand von etwa 95% +/- 10%, vorzugsweise etwa 95% +/- 5% des inneren Ventilsitzdurchmessers aufweist.

Besonders günstig zum Erreichen einer hohen Drallzahl ist es, wenn die Spiral zunge an ihrem Beginn einen konkaven Wandabschnitt mit einem Radius auf weist, der etwa 50% + 30% des inneren Ventilsitzdurchmessers entspricht, wo bei vorzugsweise vorgesehen ist, dass die Spiralzunge im Bereich des die Ventil führung aufweisenden Ventilbutzens einen konvexen Wandabschnitt mit einem Radius von etwa 50% +/- 5% des inneren Ventilsitzdurchmessers aufweist, wel cher stetig verlaufend in den Ventilbutzen übergeht. Zwischen konkavem und konvexem Wandabschnitt kann ein im Wesentlichen ebener Übergangsbereich ausgebildet sein.

Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass durch diese Form der Spi ralzunge eine hohe Drallzahl erreicht werden kann, auch wenn der Bezugswinkel deutlich mehr als 180°, vorzugsweise zwischen etwa 250° und etwa 290°, be trägt. Es ist sogar so, dass bei erfindungsgemäß geformten Einlasskanälen das Maximum der Drallzahl erst bei einem Bezugswinkel von etwa 270° erreicht wird, was einer äußerst platzsparenden Kanalanordnung sehr entgegenkommt.

Als weiters günstig für eine gute Drallzahl hat es sich herausgestellt, wenn der größte Durchmesser des Ventilraumes - die sogenannte Ausladung - etwa 102% +/- 5% des inneren Ventilsitzdurchmessers beträgt.

Darüber hinaus ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Ventilraum ab einem Win kel von etwa 210° +/- 5°, gemessen vom ersten Eintrittsquerschnitt, bis zur Spiralzunge ein elliptisches Wandprofil aufweist.

In einer sehr günstigen Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die untere Kanalwand des ersten Einlasskanales in einem Bogen mit einem Krümmungsradius in den Ventilraum eintritt, welcher mindestens etwa 55% des inneren Ventilsitzdurchmessers beträgt.

Auch die Abmessungen des Ventilraumes wirken sich bedeutend auf die Höhe der Drallzahl aus. So konnte in zahlreichen Versuchen festgestellt werden, dass beste Werte für die Drallzahl erhalten werden können, wenn ein eine maximale Höhe des Ventilraumes definierender, in der Ebene des ersten Eintrittsquerschnittes gemessener Abstand einer Kanalwand von einer Zylinderkopfdichtebene etwa 175% +/- 10% des inneren Ventilsitzdurchmessers beträgt. Dabei sollte beachtet werden, dass der Ventilbutzen einen entlang einer Ventilachse des ersten Ein lasskanales gemessenen Abstand von der Zylinderkopfdichtebene von etwa 115% +/- 10% des inneren Ventilsitzdurchmessers aufweist.

Um ungewünschte Strömungsbeeinflussung zu vermeiden, ist im Rahmen der Erfindung weiters vorgesehen, dass sich der Querschnitt des ersten Einlasskana les im Ventilraum ab dem ersten Eintrittsquerschnitt zumindest über einen Win kelbereich von etwa 210° +/- 5° stetig vermindert.

Ferner ist es für eine optimale Drallströmung vorteilhaft, wenn gegenüberlie gende Kanalwände des ersten Einlasskanales, im Grundriss betrachtet, einen Winkel von etwa 20° +/- 10° aufspannen.

In einer konstruktiv einfachen Ausführungsvariante der Erfindung sind die Ventil achsen der Einlassventile für den ersten Einlasskanal und den zweiten Einlasska nal parallel zueinander angeordnet und spannen eine Ebene in Längsrichtung der Brennkraftmaschine auf. Die Ventilachsen können dabei zu einer Parallelen zur Zylinderachse geneigt sein und zu dieser einen Winkel von etwa 5° +/- 5° ein schließen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Einlasskanalkonfiguration in einer Draufsicht auf einen Zylinderkopf,

Fig. 2 einen Einlasskanal dieser Einlasskanalkonfiguration im Detail,

Fig. 3 diesen Einlasskanal in einem Schnitt gemäß der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 diesen Einlasskanal in einem Schnitt gemäß der Linie IV-IV in Fig. 2,

Fig. 5 diesen Einlasskanal in einem Schnitt gemäß der Linie V-V in Fig. 2 und

Fig. 6 den Verlauf der Drallzahl in Abhängigkeit von einem Bezugswinkel α.

Der dargestellte Zylinderkopf 1 einer Brennkraftmaschine weist pro Zylinder 2 einen ersten Einlasskanal 3 und einen zweiten Einlasskanal 4 auf. Der erste Ein lasskanal 3 ist dabei als Spiralkanal ausgebildet, welcher einen Drall in Richtung des Pfeiles 5 im Brennraum generiert. Der zweite Einlasskanal 4 kann ebenfalls ein drallerzeugender Kanal, also ein Spiralkanal oder ein Tangentialkanal, oder aber ein Neutralkanal sein.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, weist der erste Einlasskanal 3 einen charakteristi schen Bezugswinkel α auf, welcher definiert ist zwischen einer Ventilmittelpunkt 6 und Zylindermittelpunkt 7 verbindenden Geraden 8 einerseits und einem einen ersten Eintrittsquerschnitt 10 des ersten Einlasskanales 3 in den Ventilraum 9 festlegenden, vom Ventilmittelpunkt 6 ausgehenden Radius andererseits, gemes sen in Drallrichtung.

Im Bereich des ersten Eintrittsquerschnittes 10 weist eine Tangente 11 an die dem zweiten Einlasskanal 4 benachbarte Kanalwand 12 des ersten Einlasskanales 3 zum Zylindermittelpunkt 7, wobei der Normalabstand zwischen der Tangente 11 und der Zylinderachse 13 etwa 0 +/- 3% des Zylinderdurchmessers D be trägt. Der Beginn 14 der Spiralzunge 15 weist vom Ventilmittelpunkt 6 einen Ab stand 16 von etwa 95% +/- 10%, vorzugsweise etwa 95% +/- 5% des inneren Ventilsitzdurchmessers d_v auf.

Im Grundriss betrachtet besitzt die Spiralzunge 15 am Beginn 14 einen konkaven Wandabschnitt 17 mit einem Radius 18, der etwa 50% + 30% des inneren Ven tilsitzdurchmessers d_v entspricht. An diesen konkaven Wandabschnitt 17 schließt ein ebener Übergangsbereich 19 und an diesen ein konvexer Wandabschnitt 20 an, welcher verlaufend in den die Ventilführung 22 aufnehmenden Ventilbutzen 21 übergeht. Der konvexe Wandabschnitt 20 weist einen Radius 23 von etwa 50% +/- 5% des inneren Ventilsitzdurchmessers d_v auf.

Der Ventilraum 9 weist einen größten Durchmesser 24, die sogenannte "Ausla dung" auf, welcher etwa 102% +/- 5% des inneren Ventilsitzdurchmessers d_v entspricht, wie aus Fig. 4 hervorgeht.

Der Ventilraum 9 weist ab einem vom ersten Eintrittsquerschnitt 10 weg gemes senen Winkel β von etwa 210° +/- 5° bis zur Spiralzunge 15 ein elliptisches Profil 25 der Kanalwand 26 auf (Fig. 5).

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, ist die untere Kanalwand 27 des ersten Einlasskanales 3 unmittelbar vor der Einmündung in den Ventilsitzring 28 bogenförmig mit ei nem Krümmungsradius 29 ausgebildet, der mindestens etwa 55% des inneren Ventilsitzdurchmessers d_v beträgt.

Der im ersten Eintrittsquerschnitt 10 gemessene maximale Abstand 30 der obe ren Kanalwand 31 des Ventilraumes 9 von der Zylinderkopfdichtebene 32 beträgt etwa 175% +/- 10% des inneren Ventilsitzdurchmessers d_v.

Der maximale Abstand 36 des Ventilbutzens 21 von der Zylinderkopfdichtebene 32 beträgt - gemessen entlang der Ventilachse 34 - etwa 115% +/- 10% des inneren Ventilsitzdurchmessers d_v.

Der im Grundriss gemessene Zulaufwinkel γ des Einlasskanales 3 zwischen zweier gegenüberliegender Kanalwände 12, 12a beträgt etwa 20° +/- 10°.

Die Ventilachsen 34 des ersten Einlasskanales 3 und 37 des zweiten Einlasska nales 4 sind im Ausführungsbeispiel parallel zueinander angeordnet und spannen eine in Motorlängsrichtung liegende Ebene 38 auf. Mit Bezugszeichen 39 ist eine durch die Zylinderachse 13 verlaufende Motorlängsebene bezeichnet. Die Ventil achsen 34, 37 können zu einer Parallelen 40 auf die Zylinderachse 13 unter ei nem Winkel δ von etwa 5° +/- 5° geneigt sein.

Der mit den genannten konstruktiven Abmessungen ausgeführte erste Einlasska nal 3 weist eine Drallzahl D_z auf, deren Maximum bei etwa 270° des Bezugswin kels α liegt, wie in Fig. 6 durch die voll ausgezogene Linie 41 dargestellt ist. Ak zeptable Drallzahlen D_z können für Bezugswinkel α im Bereich zwischen 250° und 290° erhalten werden. Zum Vergleich dazu ist mit Bezugszeichen 42 punk tiert die Drallzahl D_z eines konventionellen Spiralkanales dargestellt, deren Ma ximum bei 180° des Bezugswinkels α liegt. Das Maximum der Drallzahl des hier beschriebenen Einlasskanales 3 liegt zwar geringfügig unter dem Maximum einer Drallzahl eines konventionellen Einlasskanales. Der erfindungsgemäße Einlasska nal 3 hat aber den Vorteil, dass durch die unkonventionelle Anordnung des ers ten Eintrittsquerschnittes 10 größere Freiheiten in der Gestaltung der Einlasska näle 3, 4 möglich sind. So können in konstruktiv einfacher Weise zwei von einer gemeinsamen Flanschebene 43 ausgehende Einlasskanäle 3, 4 pro Zylinder 2 realisiert werden, welche ohne mäanderartige Kanalschleifen auf kürzestem Wege in den Brennraum münden.

Claims

1. Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Einlasskanälen (3, 4) pro Zylinder (2), welche über Einlassöffnungen in einen Brennraum münden, wobei ein erster Einlasskanal (3) als Spiralkanal ausgebildet ist, der einen Bezugswin kel (α) größer als etwa 230° aufweist, welcher Bezugswinkel in Richtung ei ner Drallströmung im Zylinder (2) definiert ist zwischen einer Ventilmittel punkt (6) und Zylindermittelpunkt (7) verbindenden Geraden (8) einerseits und einem einen ersten Eintrittsquerschnitt (10) des ersten Einlasskanales (3) in einen Ventilraum (9) festlegenden, vom Ventilmittelpunkt (6) ausge henden Radius andererseits, und wobei eine Tangente (11) einer im Bereich des ersten Eintrittsquerschnittes (10) in den Ventilraum (9) tangential ein tretenden, einem zweiten Einlasskanal (4) benachbarten Kanalwand (12) zur Zylinderachse (13) einen Normalabstand von etwa 0 +/- 3% des Zylin derdurchmessers (D) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn (14) der Spiralzunge (15) vom Ventilmittelpunkt (6) einen Abstand (16) von etwa 95% +/- 10%, vorzugsweise etwa 95% +/- 5% des inneren Ventil sitzdurchmessers (d_v) aufweist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralzunge (15) an ihrem Beginn (14) einen konkaven Wandabschnitt (17) mit einem Radius (18) aufweist, der etwa 50% + 30% des inneren Ventil sitzdurchmessers (d_v) entspricht.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralzunge (15) im Bereich des die Ventilführung (22) aufweisen den Ventilbutzens (21) einen konvexen Wandabschnitt (20) mit einem Ra dius (23) von etwa 50% +/- 5% des inneren Ventilsitzdurchmessers (d_v) aufweist, welcher stetig verlaufend in den Ventilbutzen (21) übergeht.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen konkavem Wandabschnitt (17) und konvexem Wandabschnitt (20) ein im Wesentlichen ebener Übergangsbereich (19) ausgebildet ist.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, dass der größte Durchmesser (24) des Ventilraumes (9) etwa 102% +/- 5% des inneren Ventilsitzdurchmessers (d_v) beträgt.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, dass der Ventilraum (9) ab einem Winkel (β) von etwa 210° +/- 5°, gemessen vom ersten Eintrittsquerschnitt (10), bis zur Spiralzunge (15) ein elliptisches Wandprofil (25) aufweist.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, dass die untere Kanalwand (27) des ersten Einlasskanales (3) in einem Bogen mit einem Krümmungsradius (29) in den Ventilraum (9) ein tritt, welcher mindestens etwa 55% des inneren Ventilsitzdurchmessers (d_v) beträgt.

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, dass ein eine maximale Höhe des Ventilraumes (9) definierender, in der Ebene des ersten Eintrittsquerschnittes (10) gemessener Abstand (30) einer Kanalwand (31) von einer Zylinderkopfdichtebene (32) etwa 175% +/- 10% des inneren Ventilsitzdurchmessers (d_v) beträgt.

9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, dass in den Ventilraum (9) ein die Ventilführung (22) aufweisen der Ventilbutzen (21) ragt, dessen entlang einer Ventilachse (34) des ersten Einlasskanales (3) gemessener Abstand (36) von der Zylinderkopfdicht ebene (32) etwa 115% +/- 10% des inneren Ventilsitzdurchmessers (d_v) entspricht.

10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, dass gegenüberliegende Kanalwände (12, 12a) des ersten Ein lasskanales (3), im Grundriss betrachtet, einen Winkel (γ) von etwa 20° +/- 10° aufspannen.

11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, dass der Bezugswinkel (α) kleiner als etwa 310° ist.

12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Bezugswinkel (α) zwischen etwa 250° und etwa 290°, vorzugsweise etwa 270°, beträgt.

13. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn zeichnet, dass sich der Querschnitt des ersten Einlasskanales (3) im Ven tilraum (9) ab dem ersten Eintrittsquerschnitt (10) zumindest über einen Winkelbereich (β) von etwa 210° +/- 5° stetig vermindert.

14. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekenn zeichnet, dass die Ventilachsen (34, 37) des ersten Einlasskanales (3) und des zweiten Einlasskanales (4) parallel zueinander angeordnet sind und eine in Motorlängsrichtung angeordnete Ebene (38) aufspannen.

15. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekenn zeichnet, dass die Ventilachse (34) des ersten Einlasskanales (3) zu einer Parallelen (40) auf die Zylinderachse (13) einen Winkel (δ) von etwa 5° +/- 5° einschließt.