DE102005028806A1

DE102005028806A1 - Ansaugkanal für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102005028806A1
Application number: DE102005028806A
Authority: DE
Inventors: Arno Pflug; Matthias Samstag; Stefan Schreiner
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-06-22
Filing date: 2005-06-22
Publication date: 2007-01-11

Abstract

Ein Ansaugkanal für eine Brennkammer eines Verbrennungsmotors umfasst ein Rohrstück (1) und ein um eine Drehachse (11) drehbares Element (13), das je nach Drehstellung unterschiedlich weit in den freien Querschnitt des Rohrstücks (1) eingreift. Das Rohrstück (1) weist wenigstens in Höhe des drehbaren Elements (13) eine Längsmittelachse (6) auf. Die Richtungen von Drehachse (11) und Längsmittelachse (6) spannen einen spitzen Winkel auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ansaugkanal für die Versorgung der Brennkammer eines Verbrennungsmotors mit Frischluft oder mit Luft-Kraftstoff-Gemisch.

Bekanntlich werden die Eigenschaften der Verbrennung in der Brennkammer nicht nur von den globalen Eigenschaften des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Brennkammer beeinflusst, sondern auch von der örtlichen Verteilung des Brennstoffs darin. Um diese Verteilung zu beeinflussen und jeweils an eine momentan nachgefragte Motorleistung anzupassen, versucht man im allgemeinen, das Strömungsverhalten des in die Brennkammer eintretenden Frischgases mit Hilfe von im Ansaugkanal angeordneten beweglichen Hindernissen zu beeinflussen.

Ein solches Hindernis kann beispielsweise eine Klappe sein, die zwischen einer Stellung, in der sie an der Innenwand eines von dem Frischgas durchflossenen Rohrstücks des Ansaugkanals anliegt und dessen freien Querschnitt allenfalls gering beeinträchtigt, und einer Stellung schwenkbar ist, in der sie einen erheblichen Teil des Rohrquerschnitts verschließt, so dass sich hinter einer freien Kante der Klappe Wirbel in der Frischgasströmung bilden, die in die Brennkammer hineingespült werden. Eine solche Klappe ist z.B. in JP 53-1712 gezeigt, wo sie von oben in einen gekrümmten Abschnitt eines Ansaugrohrs eines Zylinderkopfs eingreift.

Ein Problem dieser Klappen ist, dass sie, um befriedigende Ergebnisse zu liefern, einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt des Ansaugrohrs erfordern. Nur wenn die Rohrwand, an der die Klappe angebracht ist, eben ist, kann eine Platte mit ebener Vorderseite im wesentlichen bündig an dieser Wand anliegen, so dass im anliegenden Zustand der Klappe keine Abreißkanten in dem Rohrstück auftreten, an denen die Frischgasströmung verwirbeln kann und die somit einen Strömungswiderstand des Rohrstücks erhöhen. Zwar wäre es generell möglich, eine Klappe mit einer nicht ebenen Oberfläche an einer gekrümmten Wand des Rohrstücks so anzuordnen, dass in einer an der Rohrwand anliegenden Stellung der Klappe deren freie Kante mit der benachbarten Rohrwand bündig ist, doch müssen dann in der Wand Aussparungen geschaffen werden, in die Teile des zur Schwenkachse benachbarten Randes der Klappe eingreifen können, wenn letztere schräg gestellt wird. Diese Aussparungen bilden auch dann Abreißkanten, wenn die Klappe an der Wand anliegt.

Vorrichtungen, die es erlauben, den Querschnitt eines Ansaugkanals ohne Verwendung einer Klappe zu modulieren, sind aus der bereits zitierten JP 53-1712 sowie aus US 4 928 638 und DE 2 643 326 bekannt. Diese Vorrichtungen umfassen jeweils einen in dem Ansaugkanal angeordneten dehnbaren Balg, der den freien Querschnitt des Ansaugkanals mehr oder weniger weit einschränkt. Ein Problem dieser Einrichtungen ist jedoch, dass es schwierig ist, mit Hilfe eines aufblasbaren Balgs eine scharfe Abreißkante zu erzeugen, an der zuverlässig eine Verwirbelung auftritt. Darüber hinaus können sich Schwierigkeiten ergeben, wenn ein solcher Balg unter dem Einfluss einer an ihm vorbeistreichenden schnellen Frischgasströmung zu Schwingungen angeregt wird.

Eine weitere Bauform eines Ansaugkanals mit modulierbarem Querschnitt ist in DE 10 227 245 A1 beschrieben. Bei dieser Vorrichtung wird das Problem der Montage einer Klappe an der Wand des Ansaugkanals vermieden durch die Verwendung eines in etwa kugelförmigen, um eine durch den Mittelpunkt der Kugel verlaufende Achse drehbaren Verschlusselements, in dem eine Durchgangsbohrung gebildet ist. Das Verschlusselement ist in einer sphärischen Aufweitung des Ansaugkanals aufgenommen. In einer offenen Stellung des Verschlusselements, in der dieses den freien Querschnitt des Ansaugkanals nicht beeinträchtigt, füllt ein Teil des Verschlusskörpers den unteren Teil der sphärischen Aufweitung aus. Der obere Teil der Aufweitung hingegen bleibt leer, so dass die Aufweitung die Strömung des Frischgases durch den Ansaugkanal auch in der offenen Stellung des Verschlusselements stört. Durch Drehen des Verschlusselements um eine zur Strömungsrichtung senkrechte Achse wird der Teil des Verschlusselements aus der unteren Aufweitung heraus gedreht, so dass er einen Teil des Querschnitts des Ansaugkanals blockiert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Ansaugkanal für eine Brennkammer des Verbrennungsmotors mit einem Rohrstück und einem um die Drehachse drehbaren Element, das je nach Drehstellung unterschiedlich weit in den freien Querschnitt des Rohrstücks eingreift, zu schaffen, der einen wirksame Querschnittsmodulation bei im wesentlichen beliebigen Querschnittsformen des Rohrstücks ermöglicht.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Richtungen von Drehachse des drehbaren Elements und Längsmittelachse des Rohrstücks einen spitzen Winkel aufspannen. Für die Längsmittelachse des Rohrstücks kann es im Rahmen der Erfindung mehrere sinnvolle Definitionen geben; wenn das Rohrstück eine sich in Längsrichtung erstreckende Symmetrieachse aufweist, kann diese als Längsmittelachse angenommen werden; allgemein kann unter einer Längsmittelachse eine Gerade verstanden werden, auf der die Schwerpunkte von Querschnitten des freien Querschnitts des Rohrstücks liegen, oder dgl.

Vorzugsweise kreuzen die zwei Achsen einander; wenn nicht, sollte der Abstand, in dem sie aneinander vorbei laufen, zumindest kleiner sein als der Abstand der Längsachse von einer Wand des Ansaugkanals.

Vorzugsweise hat das drehbare Element die Gestalt eines Rotationskörpers, in dem eine Aussparung mit an den freien Querschnitt des Rohrstücks angepasstem Querschnitt gebildet ist. Dies erlaubt es, den Rotationskörper so anzuordnen, dass in einer seiner Drehstellungen, in der es nicht in den freien Querschnitt des Rohrstücks eingreift, die Oberfläche der Aussparung bündig mit den Wänden des Rohrstücks verläuft, so dass der Rotationskörper keinerlei Störung der Frischgasströmung in dem Rohrstück bewirkt. Es brauchen keine Aufweitungen an den Wänden der Rohrleitung vorgesehen zu werden, in die das drehbare Element nur dann eingreift, wenn es diese Drehstellung verlässt.

Der Rotationskörper hat vorzugsweise die Gestalt eines Zylinders, eines Kegels, eines Kegelstumpfs oder einer Tonne.

Vorzugsweise ist das drehbare Element einseitig fliegend gelagert, damit nicht eine Welle des drehbaren Elements den freien Querschnitt des Rohrstücks kreuzt und die Frischgasströmung darin beeinträchtigt.

Ein besonders kompakter Aufbau ergibt sich, wenn der Rotationskörper zu seinem fest gelagerten Ende hin verjüngt ist.

Für einen kompakten Aufbau ist ferner günstig, wenn der von Drehachse und Längsachse aufgespannte spitze Winkel kleiner als 45° ist.

In der Praxis wird das Rohrstück stromabwärts von dem drehbaren Element, kurz vor dem Eintritt in die Brennkammer, meist einen gekrümmten Abschnitt aufweisen. In diesem Fall liegt die Drehachse des drehbaren Elements vorzugsweise in einer durch den Verlauf dieses gekrümmten Abschnitts definierten Ebene.

Bevorzugt ist ferner, dass das Rohrstück einen unrunden Querschnitt mit Breitseiten und Schmalseiten hat, und dass das drehbare Element an einer Breitseite des Querschnitts angeordnet ist. Ein solcher abgeflachter Querschnitt ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn der Ansaugkanal über zwei nebeneinander angeordnete Einlassventile in eine Brennkammer mündet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
1 einen schematischen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Ansaugkanal entlang der Längsmittelachse;
2 einen Schnitt durch den Ansaugkanal von 1 quer zur Längsmittelachse;
3 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Ansaugkanals, bei dem ein Rohrstück des Ansaugkanals aufgeschnitten gezeigt ist, um den Rotationskörper besser zeigen zu können, in einer ersten Stellung des Rotationskörpers, in welcher dieser nicht in den freien Querschnitt des Rohrstücks eingreift;
4 eine zu 3 analoge Ansicht, die den Rotationskörper in einer in den freien Querschnitt des Rohrstücks eingreifenden Stellung zeigt;
5 einen schematischen Schnitt durch den Ansaugkanal der 3 und 4 quer zur Längsmittelachse;
6 eine zu 3 analoge Ansicht einer abgewandelten Ausgestaltung des Ansaugkanals mit nicht in den freien Querschnitt des Rohrstücks eingreifendem Rotationskörper; und
7 den Ansaugkanal der 6 mit in den freien Querschnitt des Rohrstücks eingreifendem Rotationskörper.
1 veranschaulicht das Prinzip der Erfindung anhand eines schematischen Längsschnitts durch einen erfindungsgemäßen Ansaugkanal. Der Ansaugkanal umfasst ein gerades Rohrstück 1 mit kreisrundem Querschnitt und Längsmittelachse 6, das an einen fragmentarisch dargestellten Zylinderkopf 2 angeflanscht ist. In dem Zylinderkopf 2 gabelt sich der Ansaugkanal quer zur Ebene der Fig. in zwei Zweigkanäle, die jeweils zu einem von zwei Einlassventilen 3 des Zylinderkopfs 2 führen. In dem Schnitt der 1 ist nur eines der Einlassventile 3 zu sehen. Die Kante einer Scheidewand zwischen den zwei Zweigkanälen ist mit 4 bezeichnet.
An der unteren Wand des Rohrstücks 1 ist eine Aussparung 5 gebildet, die sich, wie insbesondere in dem Querschnitt der 2 zu erkennen, in seitlicher Richtung ein Stück weit die gekrümmten seitlichen Wände des Rohrstücks 1 hoch erstreckt. In dieser Aussparung 5 ist ein Flügel 7 aufgenommen, der über eine sich durch die Wand des Rohrstücks 1 erstreckende Welle 8 mit Hilfe eines nicht dargestellten Stellmotors drehbar ist. Die 1 und 2 zeigen jeweils den Flügel 7 mit durchgezogenem Umriss in einer inaktiven Stellung, in der eine im Schnitt quer zur Längsachse des Rohrstücks 1 konkave Innenseite 9 des Flügels 7 an ihrem gesamten Rand bündig an die die Aussparung 5 umgebende Innenwand des Rohrstücks 1 anschließt. Die Außenseite 10 des Flügels 7 und die in der inaktiven Stellung der Außenseite 10 gegenüberliegende Wand der Aussparung 5 erscheinen in dem zur Längsachse des Rohrstücks 1 senkrechten Schnitt der 2 elliptisch; in einem Schnitt senkrecht zur Drehachse 11 der Welle 8 würden diese Konturen kreisrund erscheinen, so dass deutlich wird, dass der Flügel 7 frei in eine aktive Stellung drehbar ist, die in 1 und 2 jeweils als punktierter Umriss dargestellt ist. In dieser aktiven Stellung greift der Flügel 7 weit in den freien Querschnitt des Rohrstücks 1 ein und erzwingt so eine Verwirbelung des seinen freien Rand umströmenden Frischgasstromes.
Eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ansaugkanals ist in den 3 und 4 dargestellt. Teile dieser Ausgestaltung, die in Form und/oder Funktion solchen entsprechen, die bereits mit Bezug auf 1 und 2 beschrieben wurden, sind mit den gleichen Bezugszeichen wie dort bezeichnet und werden nur insoweit erneut beschrieben, als sie sich von ihren Gegenstücken in der ersten Ausgestaltung unterscheiden.
Das Rohrstück 1 hat hier eine abgeflachte Querschnittsform, etwa in Form eines Rechtecks, dessen Ecken so stark abgerundet sind, dass die Abrundungen an den Schmalseiten des Rechtecks ineinander übergehen. An einer oberen Breitseite oder Oberseite 12 des Rohrstücks 1 verläuft der Querschnitt zwischen abgerundeten Ecken geradlinig, an einer Unterseite ist er leicht einwärts gekrümmt. Das Rohrstück 1 nach dieser Ausgestaltung hat daher keine Symmetrieachse, die offensichtlich als Längsmittelachse aufgefasst werden könnte; statt dessen wird als Längsmittelachse hier eine Linie 6 angenommen, die die geometrischen Schwerpunkte der freien Querschnittsfläche von aufeinander folgenden Querschnitten des Rohrstücks 1 verbindet.
In einer seitlichen Aufweitung 5 des Rohrstücks 1 ist ein Querschnitts-Modulationselement 13 aufgenommen, dessen Gestalt dadurch definiert ist, dass aus einem Kegelstumpf all das Material ausgespart wird, das aus der Aufweitung 5 in den freien Querschnitt des Rohrstücks 1 vorsteht. Das Querschnitts-Modulationselement 13 hat also eine Aussparung, deren Oberfläche 14 in der in 3 gezeigten Stellung bündig mit den Wänden des Rohrstücks 1 ist. Das Querschnitts-Modulationselement 13 kann massiv sein; um sein Trägheitsmoment gering zu halten und eine schnelle Stellbewegung zu ermöglichen, ist es vorzugsweise als Hohlkörper ausgeführt.
Das Querschnitts-Modulationselement 13 ist einseitig an einer Welle 8 befestigt, deren Drehachse 11 sich unter einem Winkel von hier 30° zu der Längsmittelachse 6 erstreckt.
Durch eine Drehung des Modulationselements 13 von 180° um die Drehachse 11 wird die in 4 gezeigte Konfiguration erhalten, in welcher das Modulationselement 13 den freien Querschnitt des Rohrstücks 1 großflächig versperrt.
5 zeigt schematisch die freie Querschnittsfläche des Rohrstücks 1 und den Umriss des Querschnitts-Modulationselements 13 gesehen aus einer Blickrichtung parallel zu der Längsmittelachse 6. Wie man sieht, ist, wenn sich das Querschnitts-Modulationselement 13 in der Stellung der 4 befindet, die untere Hälfte des freien Querschnitts des Rohrstücks 1 nahezu vollständig versperrt. Der Schwerpunkt 15 des frei bleibenden Querschnitts liegt in dem von Modulationselement 13 versperrten Bereich, unweit von dessen oberer Kante.
Form und Größe des freibleibenden Querschnitts können im Bedarfsfall variiert werden durch geeignete Auswahl des Durchmessers, der Größe und Grundfläche des das Querschnitts-Modulationselement 13 bildenden Kegelstumpfs und des Schnittwinkels zwischen der Drehachse 11 des Modulationselements 13 und der Längsmittelachse 6.
Es ist leicht nachzuvollziehen, dass diverse andere geometrische Grundformen für das Querschnitts-Modulationselement 13 ebenfalls in Betracht kommen. Insbesondere kann das Element auch die Gestalt eines Zylinders oder einer Tonne mit einer an den freien Querschnitt des Rohrstücks 1 angepassten, die Oberfläche 14 bildenden Aussparung haben. Bevorzugt ist allerdings die in 3 und 4 dargestellte Form eines Kegelstumpfs, da dieser eine kompaktere Gestaltung des gesamten Aufbaus erlaubt.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung wird anhand von zu 3 und 4 analogen 6, 7 erläutert. Während bei der Ausgestaltung der 3, 4 das Querschnitts-Modulationselement 13 von der Grundform eines massiven Kegelstumpfs abgeleitet ist, ist es bei der Ausgestaltung der 6, 7 ein Hohlkegel, und das hohle Innere des Kegels ist, soweit es nicht in den freien Querschnitt des Rohrstücks 1 eingreift, durch einen Füllkörper 16 ausgefüllt, der an einer Rückwand 17 der Aufweitung 5 befestigt ist und mit dieser Rückwand 17 einteilig realisiert sein kann.
In der Konfiguration der 6 ist auch bei dieser Ausgestaltung die Oberfläche 14 der dem Innern des Rohrstücks 1 zugewandten Aussparung des Querschnitts-Modulationselementes 13 mit der Innenwand des Rohrstücks 1 bündig, und in der Konfiguration der 7 springt eine kegelmantelförmige Oberfläche ins Innere des Rohrstücks 1 vor. Allerdings ist im Falle der 7 das Querschnitts-Modulationselement 13 an seiner stromabwärtigen Seite hohl, was ein Abreißen und Verwirbeln der Frischgasströmung erleichtert. Darüber hinaus ist das Trägheitsmoment geringer als bei einem massiven Querschnitts-Modulationselement 13 vom in 3 bzw. 4 gezeigten Typ, so dass ein schnelles Umschalten zwischen verschiedenen Stellungen des Modulationselements 13 mit geringer Antriebsleistung möglich ist.

1: Rohrstück
2: Zylinderkopf
3: Einlassventil
4: Scheidewand
5: Aussparung
6: Längsmittelachse
7: Flügel
8: Welle
9: Innenseite
10: Außenseite
11: Drehachse
12: Oberseite
13: Modulationselement
14: Oberfläche
15: Schwerpunkt
16: Füllkörper
17: Rückwand

Claims

Ansaugkanal für eine Brennkammer eines Verbrennungsmotors, mit einem Rohrstück (1) und einem um eine Drehachse (11) drehbaren Element (7, 13), das je nach Drehstellung unterschiedlich weit in den freien Querschnitt des Rohrstücks (1) eingreift, wobei das Rohrstück (1) wenigstens in Höhe des drehbaren Elements (7; 13) eine Längsmittelachse (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtungen von Drehachse (11) und Längsmittelachse (6) einen spitzen Winkel aufspannen.
Ansaugkanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Achsen (6, 11) einander kreuzen.
Ansaugkanal nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das drehbare Element (13) die Gestalt eines Rotationskörpers hat, in dem eine Aussparung mit an den freien Querschnitt des Rohrstücks (1) angepasstem Querschnitt gebildet ist.
Ansaugkanal nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskörper (13) ein Zylinder, ein Kegel, ein Kegelstumpf oder eine Tonne ist.
Ansaugkanal nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Drehstellung, in der das drehbare Element (13) nicht in den freien Querschnitt des Rohrstücks (1) eingreift, die Oberfläche (14) der Aussparung bündig an die Wand des Rohrstücks (1) anschließt.
Ansaugkanal nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das drehbare Element (7, 13) einseitig fliegend gelagert ist.
Ansaugkanal nach Anspruch 3 und Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskörper (13) zu seinem fest gelagerten Ende hin verjüngt ist.
Ansaugkanal nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das drehbare Element (13) an einer stromabwärtigen Seite hohl ist.
Ansaugkanal nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der spitze Winkel kleiner als 45° ist.
Ansaugkanal nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrstück (1) stromabwärts von dem drehbaren Element (7) in einer Ebene gekrümmt ist.
Ansaugkanal nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (11) in der Ebene liegt.
Ansaugkanal nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrstück (1) einen unrunden Querschnitt mit Breitseiten (12) und Schmalseiten hat, und dass das drehbare Element (13) an einer Breitseite des Querschnitts angeordnet ist.