DE10140314A1

DE10140314A1 - Ansaugsystem für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10140314A1
Application number: DE10140314A
Authority: DE
Inventors: Armin Herold; Joerg Miroll; Berndt Schuetz
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-08-16
Filing date: 2001-08-16
Publication date: 2003-02-27
Also published as: US20030034001A1; US6761140B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ansaugsystem für eine Brennkraftmaschine, die einen Zylinderkopf mit mindestens einem Einlasskanal je Zylinder aufweist, wobei der Einlasskanal eine bewegliche, flächige Steuerklappe, die zur Turbulenzerzeugung teilweise in die Einlasskanalströmung drehbar ist, aufweist, deren Drehachse außerhalb der Fläche der Steuerklappe liegt, wobei die Drehachse der Steuerklappe in einer turbulenzerzeugenden Stellung stromauf der Steuerklappe liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ansaugsystem für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Aus der US 5,477,823 ist ein Ansaugsystem für eine Brennkraftmaschine bekannt, das einen Zylinderkopf mit einem Einlasskanal je Zylinder aufweist, der sich stromab unmittelbar vor den Einlassventilen in Teilkanäle verzweigt. Stromauf des Befestigungsflansches am Zylinderkopf ist ein Flanschteil mit einer Steuerklappe zur Turbulenzerzeugung im Einlasskanal angeschraubt. Die Steuerklappe ist leicht außermittig auf einer im Flanschteil drehbar gelagerten Walze befestigt. In geöffneter Stellung verschließt die Klappe ein Totvolumen im Flanschteil bündig mit der Kanalwand. In geschlossenem Zustand ragt die Steuerklappe teilweise in das Totvolumen und teilweise in den Einlasskanal, um dort eine turbulente Strömung zu erzeugen, die im Brennraum des zugehörigen Zylinders zu einer Tumbleströmung führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Steuerklappe mit verbesserten Strömungseigenschaften bei geringerem Bauaufwand bereitzustellen.

Die Aufgabe wird durch ein Ansaugsystem mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Ansaugsystem zeichnet sich dadurch aus, dass die Drehachse der Steuerklappe, wenn diese zur Erzeugung von Turbulenzen in den Einlasskanal gedreht ist, stromauf der Steuerklappe liegt.

Wenn die Steuerklappe keine Turbulenzen erzeugen soll, ist sie so gestellt, dass sie die Strömung im Einlasskanal möglichst wenig behindert. In einer turbulenzerzeugenden Stellung, die in bestimmten Bereichen des Motorkennfeldes eingestellt wird, um über den Querschnitt des Einlasskanals einen ungleichmäßigen Strömungsverlauf zu erzeugen, wird die Steuerklappe in die Strömung des Einlasskanals gedreht. Ein ungleichmäßiger Strömungsverlauf über den Querschnitt des Einlasskanals bewirkt eine sogenannte Tumbleströmung im Brennraum, die Vorteile bei der Verbrennung bezüglich Abgas und Verbrauch ergeben. Eine Tumbleströmung ist eine walzenförmige Strömung im Brennraum um eine Achse, die senkrecht zur Zylinderachse steht. Wenn die Drehachse der Steuerklappe außerhalb der Fläche der Steuerklappe liegt, ist es von Vorteil, die Drehachse stromauf der Steuerklappe anzuordnen, weil dadurch eine relativ geringe Betätigungskraft und eine einfache Stabilisierung der Steuerklappe in der Strömung aufgrund der unterschiedlichen Krafteinleitungsstellen ermöglicht wird.

In Ausgestaltung der Erfindung ist es von Vorteil, die Drehachse der Steuerklappe im Bereich der Strömung zu unterbrechen. Die Drehachse kann auf einfache Weise unterbrochen werden, indem nur in der Wand des Flanschteiles die Welle der Drehachse ausgebildet und gelagert ist. Im Saugkanal hingegen führt auf jeder Seite der Steuerklappe nur eine Wange zu einem aus der Wand ragenden Ende der Welle der Drehachse. Die Wange ist so geformt, dass sie in geöffnetem Zustand der Steuerklappe nahezu ohne Zwischenraum an der Wand des Einlasskanals anliegt. Dadurch wird eine Beeinträchtigung der Strömung im Saugrohr durch die Welle der Drehachse vermieden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerklappe so ausgebildet, dass sie in geöffnetem Zustand an einer Wand des Einlasskanals anliegt. Dadurch wird eine Beeinträchtigung der Strömung im Einlasskanal bei geöffneter Stellung der Steuerklappe verringert.

Eine weitere Verbesserung der Erfindung wird dadurch erreicht, dass die Steuerklappe in voll geöffnetem Zustand in einer Nische in der Wand des Einlasskanals anliegt. Dadurch wird in geöffnetem Zustand der größtmögliche Strömungsquerschnitt freigegeben und die Strömung im Einlasskanal wird bei diesem Betriebszustand nicht beeinträchtigt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden die Steuerklappe und die Wand bzw. die Nische zur Aufnahme der geöffneten Steuerklappe so geformt, dass sich in geöffnetem Zustand der Steuerklappe zwischen der Nische und der Steuerklappe ein nur sehr kleiner Spalt befindet. Dies hat zum Vorteil, dass nur ein geringes Totvolumen zwischen Steuerklappe und Wand bzw. Nische beim Betätigen der Steuerklappe entleert bzw. befüllt werden muss. Wenn das Totvolumen aufgrund des kleinen Spaltes nur sehr gering ist, können sich auch nur eine sehr kleine Menge Kraftstoff oder Partikel aus zurückgeführtem Abgas im Spalt ansammeln. Durch eine gezielte Durchlüftung des Luftspaltes werden Ablagerungen jeglicher Art, die sich bei geöffneter Klappe in dem Spalt anlagern könnten, mit dem Luftstrom durch den Spalt weggerissen und ein Zubacken oder Zusotten des Spaltes wird vermieden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Drehachse der Steuerklappe so angeordnet, dass sie eine Normale bzw. senkrechte Gerade zum Flächenschwerpunkt der Steuerklappe nicht schneidet. Da die resultierende Druckkraft der Einlasskanalströmung im Flächenschwerpunkt angreift, ist durch ein Verschieben der Drehachse der Steuerklappe weg von einer Normalen auf den Flächenschwerpunkt auf einfache Weise eine Selbstverstärkung der Klappenbewegung in Turbulenzstellung oder in Richtung einer geöffneten Stellung möglich. Die Betätigungskraft zur Steuerklappenbewegung ist in diesem Falle entgegen der Selbstverstärkungsrichtung größer als ohne eine Verschiebung der Drehachse von der Normalen auf den Flächenschwerpunkt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung liegt die Drehachse der Steuerklappe außerhalb der Mitte des Einlasskanals. Durch eine außermittige Anordnung der Drehachse lassen sich beliebige Hebellängen zwischen der Steuerklappe und der Drehachse festlegen bzw. es lassen sich verschiedene Kräfteverhältnisse zwischen der Verstellkraft an der Drehachse und der resultierenden Kraft aus dem Druck der Strömung auf die Steuerklappe einstellen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegt die Drehachse der Steuerklappe nahe der Kanalwand des Einlasskanals, und zwar auf der Seite, die der Nische für die geöffnete Steuerklappe gegenüberliegt. Diese Anordnung der Drehachse ergibt einen langen Hebelarm bis zur Steuerklappe und ermöglicht gleichzeitig eine Montage der Drehachse mit Steuerklappe in einem Einsatz in das Flanschteil von außen, ohne dass die Achse in irgendeiner Weise durch den Einlasskanal im Flanschteil durchgesteckt werden muss.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Steuerklappe aerodynamisch ausgeformt ist. Dies bedeutet, dass die Klappe ein Strömungsprofil aufweist, damit eine Strömungsausrichtung erzielt wird, ohne den Einlasskanal auf einer Seite komplett zu verschließen. Aufgrund dieses Strömungsprofils legt sich die Strömung im Einlasskanal auf eine Seite und erzeugt im Brennraum der Brennkraftmaschine eine Tumbleströmung. Gleichzeitig weist eine aerodynamische Gestaltung der Steuerklappe einen geringeren Widerstand und damit einen geringeren Drosselverlust für die Luftströmung auf. Durch die aerodynamische Gestaltung kann die Steuerklappe bei gleicher Wirkung kleiner ausgeführt werden.

Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Steuerklappe in voll geöffneter Stellung und
Fig. 2 die erfindungsgemäße Steuerklappe aus Fig. 1 in turbulenzerzeugender Stellung und
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Steuerklappe in voll geöffneter Stellung in Strömungsrichtung gesehen und
Fig. 4 eine erfindungsgemäße Steuerklappe mit Lagerung in der Mitte eines Einlasskanals in voll geöffneter Stellung und
Fig. 5 die erfindungsgemäße Steuerklappe aus Fig. 4 mit Lagerung in der Mitte eines Einlasskanals in turbulenzerzeugender Stellung und
Fig. 6 eine erfindungsgemäße Steuerklappe mit Lagerung in der Mitte eines Einlasskanals in voll geöffneter Stellung und
Fig. 7 die erfindungsgemäße Steuerklappe aus Fig. 6 mit Lagerung in der Mitte eines Einlasskanals in turbulenzerzeugender Stellung und
Fig. 8 eine erfindungsgemäße Steuerklappe mit Lagerung außerhalb der Mitte eines Einlasskanals in voll geöffneter Stellung und
Fig. 9 die erfindungsgemäße Steuerklappe aus Fig. 8 mit Lagerung außerhalb der Mitte eines Einlasskanals in turbulenzerzeugender Stellung.
In Fig. 1 ist schematisch ein Ansaugsystem 1 einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine mit einem Einlasskanal 2 und einer Steuerklappe 3 gezeigt. Das Ansaugsystem 1 weist eine Flanschfläche 4 und eine Haltevorrichtung 5 für ein nicht gezeigtes Einspritzventil auf. An der Flanschfläche 4 ist das Ansaugsystem 1 mit einem nicht gezeigten Zylinderkopf verbunden, der den Einlasskanal 2 bis an Einlassventile fortsetzt. In geöffneter Stellung liegt die Steuerklappe 3 in einer Nische 6 in der Wand 7 des Einlasskanals 2. Die Nische 6 hat eine bogenförmige Kontur, damit der Luftspalt 8 zwischen der Nische und der Steuerklappe 3 minimal ist. Die Drehachse 9 der Steuerklappe liegt auf der Mitte des Einlasskanals 2. Die Steuerklappe 3 ist über Wangen 10 mit der Drehachse 9 verbunden und weist einen flächigen Querschnitt in Form eines Kreisabschnittes auf. In geöffneter Stellung stellt die Steuerklappe 3 keinen nennenswerten Widerstand gegen die Strömung im Einlasskanal 2 dar.
In Fig. 2 ist schematisch ein Ansaugsystem 1 einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine mit einem Einlasskanal 2 und einer Steuerklappe 3 in turbulenzerzeugender Stellung gezeigt. Die Steuerklappe 3 ist in die Stellung für maximale Turbulenz gedreht, so dass nur noch ein kleiner Strömungsquerschnitt 11 für die Einlassströmung offen ist, und im Einlasskanalbereich zwischen der Steuerklappe 3 und dem nicht gezeigten Einlassventil eine turbulente Strömung entsteht, die an der der Nische gegenüberliegenden Kanalwand entlangströmt. In dieser geöffneten Stellung ist die Drehachse 9 der Steuerklappe 3 stromauf der Steuerklappe.
In Fig. 3 ist die Steuerklappe 3 mit Wange 10 und Drehachse 9 in einer Sicht in Richtung der Einlasskanalströmung gezeigt. Die Steuerklappe 3 ist geöffnet und liegt in einer Nische 6 der Wand 7 und bildet mit dieser einen Spalt 8. Die Drehachse 9 der Steuerklappe 3 ragt nur soweit aus der Wand 7 des Einlasskanals 2, dass die Strömung nicht behindert oder gestört wird, aber dass noch über die Wangen 10 eine ausreichend feste Verbindung zur Steuerklappe gewährleistet ist.
In Fig. 4 ist schematisch ein Ansaugsystem 1 einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine mit einem Einlasskanal 2 und einer Steuerklappe 3 gezeigt. Das Ansaugsystem 1 weist eine Flanschfläche 4 und eine Haltevorrichtung 5 für ein nicht gezeigtes Einspritzventil auf. An der Flanschfläche 4 ist das Ansaugsystem 1 mit einem nichtgezeigten Zylinderkopf verbunden, der den Einlasskanal 2 bis an die Einlassventile fortsetzt. In geöffneter Stellung liegt die Steuerklappe 3 in einer Nische 6 in der Wand 7 des Einlasskanals 2. Da die Steuerklappe 3 einen flachen Querschnitt aufweist und gleichzeitig die Drehachse 9 der Steuerklappe auch in geschlossenem Zustand stromauf der Steuerklappe ist, ist es auf einfache Weise möglich, die Nische 6 ebenfalls flach auszuführen und den Luftspalt 8 zu minimieren. Die Drehachse 9 der Steuerklappe liegt auf der Mitte des Einlasskanals 2. Die Steuerklappe 3 ist über Wangen 10 mit der Drehachse 9 verbunden. Dadurch, dass die Drehachse 9 nicht eine Normale 12 zum Flächenschwerpunkt der Steuerklappe 3 schneidet, sondern stromauf der Normalen die Kanalmitte kreuzt, entsteht durch die Luftströmung im Einlasskanal 2 eine Rückstellkraft, die die Steuerklappe in Richtung der Nische 6 dreht. Dies erleichtert die Regelung und Stabilisierung der Öffnung der Steuerklappe 3.
In Fig. 5 ist die flache Steuerklappe 3 aus Fig. 4 in turbulenzerzeugender Stellung gezeigt. Die Steuerklappe 3 ist aus der Nische 6 herausgeklappt und behindert die Luftströmung im Einlasskanal 2. In dieser turbulenzerzeugenden Stellung liegt die Drehachse 9 der Steuerklappe 3 stromauf der Steuerklappe. Ein Großteil der Luftströmung wird durch den schmalen Spalt 11 zwischen der Steuerklappe 3 und der der Nische 6 gegenüberliegenden Wand in Turbulenz versetzt und strömt an dieser Wand des Einlasskanals 2 bis zum nicht gezeigten Einlassventil.
In Fig. 6 ist eine Steuerklappe 3 ähnlich der Klappe aus Fig. 4 gezeigt, die jedoch eine aerodynamische Rückseite aufweist. D. h. die Seite der Steuerklappe 3, die der Strömung abgewandt ist bzw. in der Nische 6 zur Wand 7 hinzeigt, weist ein strömungsgünstiges Profil auf, dass schon bei minimalem Öffnungswinkel der Steuerklappe eine gute Durchströmung und Reinigung des Luftspaltes 8 in der Nische gegeben ist.
In Fig. 7 ist die Steuerklappe 3 aus Fig. 6 in einer geöffneten Stellung analog Fig. 5 gezeigt. Durch das aerodynamische Profil der Steuerklappe 3 wird die Luftströmung durch den Luftspalt 8 ebenfalls auf die der Nische 6 gegenüberliegende Seite des Einlasskanals 2 gelenkt, um letztendlich im nicht gezeigten Brennraum eine sogenannte Tumbleströmung zu erzeugen.
In den Fig. 8 und 9 ist eine Steuerklappe 3 ähnlich der Steuerklappe aus Fig. 4 und 5 in einer geöffneten Stellung (Fig. 8) und in einer turbulenzerzeugenden Stellung (Fig. 9) gezeigt. Dadurch, dass die Drehachse 9 nahe der der Nische 6 gegenüberliegenden Wand 7 des Einlasskanals 2 liegt, ergeben sich zwischen der Steuerklappe 3 und der Drehachse besonders große Hebelarme in Form langer Wangen 10. Die langen Hebelarme bieten Vorteile bei der Regelung und Stabilisierung der Öffnung der Steuerklappe 3. Die Strömungsverhältnisse im Einlasskanal 2 sind denen aus Fig. 4 und 5 ähnlich.

Claims

1. Ansaugsystem für eine Brennkraftmaschine, die einen Zylinderkopf mit mindestens einem Einlasskanal je Zylinder aufweist, wobei der Einlasskanal mit einer beweglichen, flächigen Steuerklappe versehen ist, die zur Turbulenzerzeugung teilweise in die Einlasskanalströmung drehbar ist, deren Drehachse außerhalb der Fläche der Steuerklappe liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (9) der Steuerklappe (3) in turbulenzerzeugender Stellung stromauf der Steuerklappe liegt.

2. Ansaugsystem für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (9) der Steuerklappe (3) im Bereich der Strömung unterbrochen ist.

3. Ansaugsystem für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerklappe (3) in einem geöffneten Zustand an einer Wand (7) des Einlasskanals (2) anliegt.

4. Ansaugsystem für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerklappe (3) in einem geöffneten Zustand in einer Nische (6) der Wand (7) des Einlasskanals (2) anliegt.

5. Ansaugsystem für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der Steuerklappe (3) und der Wand (7) ein nur sehr kleiner Luftspalt (8) in der Nische (6) befindet.

6. Ansaugsystem für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (9) der Steuerklappe (3) eine Normale (12) zum Flächenschwerpunkt der Steuerklappe nicht schneidet.

7. Ansaugsystem für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (9) der Steuerklappe (3) außerhalb der Mitte des Einlasskanals (2) liegt.

8. Ansaugsystem für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (9) der Steuerklappe (3) nahe der Kanalwand (7) des Einlasskanals (2) liegt, die der Nische (6) für die geöffnete Steuerklappe gegenüber liegt.

9. Ansaugsystem für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerklappe (3) aerodynamisch geformt ist.