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Die
Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Für einen
hohen Wirkungsgrad einer Hubkolbenbrennkraftmaschine bei gleichzeitig
geringem Schadstoffgehalt der Abgase ist die Ladungsbewegung im
Brennraum von entscheidender Bedeutung. Insbesondere bei direkteinspritzenden
Ottomotoren, bei denen die Gemischaufbereitung in einem sehr kleinen
Bereich um die Zündkerze
erfolgt, ist die Strömungsgeschwindigkeit
der in den Brennraum einströmenden
Frischluft, oder Frischladung im Teillastbereich gering, so dass
dort keine optimale Gemischaufbereitung erfolgt. Um dem abzuhelfen,
ist bekannt, die in den Brennraum einströmende Frischgasströmung derart
zu steuern, dass sie im Schwachlastbereich gezielt verwirbelt wird,
wohingegen im Volllastbereich, in dem hohe Strömungsgeschwindigkeiten vorliegen,
die für
den Teillastbereich vorgesehene gezielte Verwirbelung zurück genommen
wird.
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Aus
der
DE 10 2004
009 502 B3 ist ein Klappensystem zur Änderung der Strömungsverhältnisse an
Einlassventilen bekannt, das eine insgesamt U-förmige Klappe mit zwei zueinander
fluchtenden und an dem jeweiligen Ende der Klappe angeformten Anschlusszungen
sowie zwei Verbindungswellen umfasst, wobei mindestens eines der
Enden jeder Verbindungswelle derart geformt ist, dass eine Anschlusszunge
in wirkfester Verbindung aufgenommen werden kann. Das Klappensystem
wird im Verbindungsbereich zwischen Saugrohr und Zylinderkopf angeordnet.
Im Schwachlastbereich verschließt die
Klappe beispielsweise eine untere Hälfte des Saugrohrs, so dass
die Strömungsgeschwindigkeit der
durch den frei bleibenden Querschnitt des Saugrohrs strömenden Frischluft
vergrößert wird
und wegen der unsymmetrischen Einströmung durch die Einlassöffnung zusätzlich im
Brennraum ein Wirbel entsteht. Im unwirksamen Zustand liegt die
Klappe insgesamt an der Wandung des Saugrohrs an.
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Auch
aus der
DE 199 20
195 A1 ist eine im Endbereich des Saugrohrs angeordnete
schwenkbare Klappe bekannt, mit der in der Schwachlast ein Teil des
Saugrohrquerschnitts verschlossen werden kann.
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Den
bekannten Strömungssteuerbauteilen ist
gemeinsam, dass sie im Saugrohr angeordnet sind, also verhältnismäßig weit
weg von der in den Brennraum führenden
Einlassöffnung.
Dies führt
entweder zu einer verminderten Wirksamkeit der Strömungssteuerbauteile
bzw. Klappen oder erfordert innerhalb des Zylinderkopfes eine zusätzliche
Trennwand im Saugkanal, wobei durch die am Saugrohrende angeordnete
Klappe ein durch die zylinderkopffeste Trennwand abgetrennter Bereich
des Saugrohrs verschlossen wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wirksame und einfach
ausführbare
Möglichkeit zu
schaffen, die durch die Einlassöffnung
in den Brennraum einer Hubkolbenbrennkraftmaschine einströmende Frischladung
bzw. Frischluft gezielt zu verändern.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Zylinderkopf gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
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Dadurch,
dass das schwenkbare Strömungssteuerbauteil
unmittelbar in den Zylinderkopf integriert ist, kann es nahe der
Einlassöffnung
angeordnet werden, wodurch seine Wirksamkeit verbessert ist und
der Einlasskanal nicht durch eine weitere Trennwand in einen von
dem Strömungsbauteil
verschließbaren
Querschnitt und einen ständig
offenen Querschnitt unterteilt werden muss.
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Die
Kontour des Strömungssteuerbauteils
im Querschnitt des Saugkanals ist so gestaltet, dass es bereits
in Nullstellung einen gewissen Drall erzeugt, der sich beim Anstellen
des Bauteils noch verstärkt. Diese
Kontour ist mit dem Profil des Leitflügels abgestimmt. Insbesondere
ist die Kontour des Strömungssteuerbauteils
asymmetrisch, d.h. es liegt im Ansaugkanal eine asymmetrische Abrisskante
vor, deren jeweilige Gestalt und Wirkung im Ansaugkanal vorzugsweise
stufenlos verändert
werden kann, indem das Strömungssteuerbauteil
im Ansaugkanal, vorzugsweise um eine Achse im Wesentlichen senkrecht
zur Hauptströmungsrichtung,
gedreht wird. In Nullstellung des z.B. als Walze ausgeführten Strömungssteuerbauteils
versinkt die seitliche Kontour z.B. nahezu im Zylinderkopf. Dreht
man die Walze in die Strömung
so verändert
die unterschiedliche Kontour der Walze das Querschnittsprofil des
Ansaugkanals und damit die Strömung
der Luft im Ansaugkanal. Gleichzeitig verstärkt sich durch Anstellen des Steuerbauteils
auch die Tumblebewegung, die durch geeignetes Justieren des asymmetrischen
Strömungssteuerbauteils
z.B. für
hohe Drehzahlen des Motors beschleunigt werden kann.
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Die
Unteransprüche
sind auf vorteilhafte Ausführungsformen
und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Zylinderkopfes gerichtet.
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Der
erfindungsgemäße Zylinderkopf
eignet sich insbesondere zur Verwendung in fremd gezündeten Motoren
mit direkter oder indirekter Einspritzung. Er kann aber auch in
Dieselmotoren vorteilhaft eingesetzt werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise
und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
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In
den Figuren stellen dar:
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1 zwei
schematische Ansichten in Strömungssteuerbauteilachsenrichtung
und senkrecht dazu eines Zylinderkopfbereichs einer Hubkolbenbrennkraftmaschine
mit in Nullstellung befindlichem Strömungssteuerbauteil,
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2 zwei
schematische Ansichten entsprechend 1, wobei
das Strömungssteuerbauteil
in Wirkstellung ist,
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3 eine
Perspektivansicht eines Zylinderkopfes mit Strömungssteuerbauteil und zwei
Einlasskanälen,
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4 eine
perspektivische Ansicht der Einlasskanäle,
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5 eine
perspektivische Ansicht in Hauptströmungsrichtung eines Ansaugkanals,
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6 eine
perspektivische Ansicht eines Strömungssteuerbauteils,
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7 eine
weitere Ausführungsform
eines Strömungssteuerbauteils,
und
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8 eine
weitere Ausführungsform
eines Strömungssteuerbauteils.
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In 3 ist
ein in einem nicht dargestellten Zylinder auf- und abwärts beweglicher
Kolben mit 10 bezeichnet. Über dem Kolben 10 wird
durch einen von der Stellung des Kolbens abhängigen Bereich der Zylinderwand
und der an den Brennraum grenzenden Brennraumwand eines Zylinderkopfes
ein Brennraum gebildet. In der zylinderkopfseitigen Brennraumwand
sind in an sich bekannter Weise wenigstens eine Einlassöffnung und
eine Auslassöffnung
ausgebildet, die von einem Einlassventil 12 bzw. Auslassventil 14 verschlossen
bzw. geöffnet werden.
In 3 sind jeweils zwei Einlass- und Auslassöffnungen
mit entsprechenden Ventilen gezeigt. Eine Einspritzdüse ist mit 16 bezeichnet,
eine Zündkerze
mit 18.
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Ein
im Zylinderkopf ausgebildeter, in der mit einem Ventilsitz versehenen
Einlassöffnung
endender Einlasskanal, der in 3 nur schematisch
angedeutet ist und in 1 und 2 besser
erkennbar ist, ist mit 20 bezeichnet. An den Zylinderkopf
ist ein Saugrohr 22 angeschlossen.
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In
dem Einlasskanal 20, der zur mittels des Einlassventils 12 verschließbaren Einlassöffnung hin gekrümmt ist,
ist ein insgesamt mit 24 bezeichnetes Strömungssteuerbauteil
mittels eines vorzugsweise stufenlosen Drehmechanismus 36 schwenkbar
angeordnet. Das als Walze geformte Strömungssteuerbauteil enthält einen
in das Saugrohr 22 ragenden oder dieses durchragenden Schwenkflügel 26,
der an seinen axialen Enden mit Wellenzapfen versehen ist, die in
einer Querbohrung 28 des Zylinderkopfes gelagert sind oder
diese durchragen.
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Das
Strömungssteuerbauteil 24 befindet
sich im Bereich der Krümmung
des Einlasskanals 20 auf der vom Zentrum der zylinderkopfseitigen
Brennraumwand (mit Z bezeichnet) abgewandten Seite des Einlassventils 12.
Die Achse der Querbohrung 28 verläuft etwa senkrecht zur Erstreckungsrichtung
des Einlasskanals 20 und zur Bewegungsrichtung des Kolbens 10.
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In 1 befindet
sich das Strömungssteuerbauteil 24 in
seiner Nullstellung, in der der Schwenkflügel 26 etwa parallel
zur durch den Einlasskanal 20 erfolgenden Einlassströmung gerichtet
ist, so dass der Schwenkflügel 26 nur
aufgrund seiner Asymmetrie die Einlassströmung mit Drall beaufschlagt
und beeinflusst. Die Kontour des ausgenommenen Bereichs 27 ist
in dieser Position im Wesentlichen fluchtend mit den Wänden des
Einlasskanals 20 und erzeugt keine weitere Strömungsbeeinflussung.
In 2 ist die Walze gedreht und somit der Schwenkflügel 26 verschwenkt,
so dass er die Strömung
in Richtung des Pfeils A derart ablenkt, dass der größte Teil
der durch den Einlasskanal 20 erfolgenden Einströmung durch
die dem Brennraumwandzentrum Z zugewandte Hälfte der Einlassöffnung erfolgt,
wobei sie durch die Oberseite des Ventiltellers zusätzlich derart
gelenkt wird, dass sie etwa tangential in den Brennraum einströmt und dort
eine Tumbleströmung erzeugt,
deren Achse etwa senkrecht auf der Bewegungsrichtung des Kolbens
steht. Diese Wirkung wird dadurch unterstützt, dass die Kontour des ausgenommenen
Bereichs 27 des Strömungsbauteils ebenso
derart im Ansaugkanal 20 zu dessen Wänden verschwenkt ist, dass
einerseits die schanzenartige Strömungsabrisskante 25 erzeugt
wird, mit welcher die Strömung
beeinflusst und mit Drall beaufschlagt wird, und andererseits eine
Kanalquerschnittsverengung asymmetrisch im Kanal erzeugt wird, was
ebenfalls zu einer lokalen Strömungsbeschleunigung
um die Engstelle und somit einer justierbaren Geschwindigkeitsverteilung
im Strömungskanal,
d.h. einer ungleichmäßigen Geschwindigkeitsverteilung über den
verengten Kanalschnitt, beiträgt.
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Mit
Vorteil ist das Strömungssteuerbauteil 24 möglichst
nah am Einlassventil 12 angeordnet und hat beispielsweise
von der Einlassöffnung
einen Abstand, der etwa der Hälfte
des Durchmessers der Einlassöffnung
entspricht.
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Deutlich
sichtbar ist in 3 neben dem insgesamt mit 24 bezeichneten
Strömungssteuerbauteil,
das den Schwenkflügel 26 enthält, der
an seinen beiden axialen Enden mit Wellenzapfen 30 verbunden
oder einteilig mit diesen ausgebildet ist, die durch die Querbohrung 28 reichen
bzw. dort gelagert sind, ein Aktor. Der Aktor, beispielsweise ein
Elektromotor eines Drehmechanismus 36, drehantreibt einen
der Wellenzapfen, so dass die Stellung des Schwenkflügels 26 entsprechend
Betriebsparametern der Brennkraftmaschine vorteilhafterweise kontinuierlich zwischen
den beiden in 1 bzw. 2 dargestellten
Stellungen veränderbar
ist und insbesondere die Geschwindigkeit der Tumble-Strömung justierbar
ist. Die Drehachse des Strömungssteuerbauteils 24 ist vorzugsweise
tangential an die Außenwand
bzw. die Nähe
der Außenwand
des Ansaugkanals 20.
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Die
Querbohrung 28 ist derart ausgebildet, dass sie gemäß 3 unten
die Innenwand der Einlasskanäle 20 berührt, und
hat einen Durchmesser derart, dass das Strömungssteuerbauteil 24 durch die
Querbohrung in den Zylinderkopf einsteckbar ist.
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4 und 5 zeigen
jeweils eine teilweise geschnittene weitere perspektivische Ansicht
eines Zylinderkopfes mit zwei Einlasskanälen 20, die nebeneinander
im Zylinderkopf ausgebildet sind und zu Einlassöffnungen führen, die von jeweils einem Einlassventil 12 beherrscht
werden. Das Strömungssteuerbauteil 24 weist
zwei Schwenkflügel 261 , 262 auf,
die zwischen sich einen Lagerflansch 34 aufweisen, der
in der Trennwand gelagert ist. An den axialen, voneinander abgewandten
Enden der Schwenkflügel 261 und 262 sind
Wellenzapfen vorgesehen.
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Die
Profilierung der Schwenkflügel 261 und 262 ist
derart, dass in der dargestellten Nullstellung die Strömung durch
die Einlasskanäle
nur wenig beeinflusst wird und in der Wirkstellung, die gegenüber der
Nullstellung in Uhrzeigerrichtung um 60 bis 85° verdreht ist, die Strömung stromabwärts der Schwenkflügel nach
oben umgeleitet wird, so dass die Einströmung vorwiegend durch den gemäß 3 linken
Bereich der Einlassöffnungen
erfolgt. Die Schwenkflügel 261 , 262 ragen
asymmetrisch jeweils in die Einlasskanäle 20, so dass die
Strömung
mit Drall um eine Achse entlang der Hauptströmungsrichtung beaufschlagen.
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Die
Ränder
bzw. Kanten der Schwenkflügel sind
parallel zueinander und entsprechen in ihrem Abstand beispielsweise
dem Durchmesser der Wellenzapfen.
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Die
dem Saugrohr zugewandten Flächen
der Wellenzapfen und des Lagerflansches sind vorteilhafterweise
derart geformt, dass sie in der in 1 dargestellten
Nullstellung des Strömungssteuerbauteils
die Saugrohrwandungen stetig fortsetzen.
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6 bis 8 zeigen
das mit kreiszylindrischer Walzenrundform ausgeführte Strömungssteuerbauteil in verschiedenen
Ausführungsformen.
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Es
ist erkennbar, dass das walzenförmige Strömungssteuerbauteil 24 im
Ansaugkanal vorzugsweise eine spezielle Ausgestaltung mit Mitteln
zum Erzeugen einer Tumbleströmung
(Rotation um Achse quer zur Achse der Zylinderbohrung) und Mitteln
zum Erzeugen einer mit Drall beaufschlagten Strömung (Drehung um Achse der
Zylinderbohrung) aufweist, so dass in Abhängigkeit von der Verdrehstellung
der Walze im Ansaugkanal eine gezielte Strömungsbeeinflussung möglich ist.
Insbesondere wird bei einer vorteilhaft stufenlosen Verstellung
zwischen einer Position, in der keine Strömungsbeeinflussung vorliegt,
und einer Position, in der maximale Strömungsbeeinflussung vorliegt,
die Höhe
bzw. Stärke
der Ladungsbewegung ebenfalls stufenlos einstellbar, beispielsweise
indem eine durch die Verdrehposition der Walze erzeugte Schanzenhöhe beliebig
justiert werden kann.
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In
den in 6 bis 8 gezeigten Ausführungen
sind zusätzliche
Mittel zum Erzeugen einer Drallströmung vorgesehen sind, mit welchen
der Ladungsbewegung ein Drall verliehen wird. Diese Mittel sind
als Schwenkflügel 26 gestaltet. 6 bis 8 zeigen
verschiedene Formen der Schwenkflügel, die jeweils asymmetrisch
in den Strömungskanal
ragen. Da die Mittel zum Erzeugen einer Drallströmung und einer Tumbleströmung zumindest
insofern voneinander getrennt sind, dass sie jeweils unabhängig voneinander
eine Strömungsbeeinflussung
vornehmen können,
sind die Möglichkeiten
der Strömungsbeeinflussung
durch Drall- und/oder Tumblebeaufschlagung verbessert.
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Als
Mittel zum Erzeugen der Tumbleströmung ist ein vorzugsweise ebenfalls
bezüglich
der Ansaugkanallängsachse
asymmetrischer ausgenommener Bereich 27 vorgesehen. Besonders
bevorzugt wird eine Gestaltung der Walze mit einem ausgenommenen
Bereich 27, wobei die Walze vorzugsweise im Wesentlichen
eine zylindrische Gestalt hat. Der ausgenommene Bereich 27 ist
so gestaltet, dass sie in der 0 ° Position
mit der Kanalaußenwand fluchtend
ist und somit die Strömung
im Ansaugkanal nicht beeinflusst wird. Er kann jedoch in sich kontouriert
sein, so dass auch in der 0° Stellung
eine Strömungsbeeinflussung
erfolgt. Dazu ist die Ausnehmung an sich nach Bedarf profiliert,
beispielweise wellig oder mit Rillen und/oder Riefen (siehe 1, 2).
Das Strömungssteuerbauteil 24 an
sich ist vorzugsweise kreiszylindrisch, wobei jedoch andere Zylinderformen
grundsätzlich
denkbar sind.
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Als
die Mittel zum Erzeugen einer mit Drall beaufschlagten Strömung und
ggf. einer Tumbleströmung
ist vorzugsweise in einem Teil des ausgenommenen Bereichs 27 eine
entsprechende Profilierung des ausgenommenen Bereichs vorhanden,
beispielsweise durch das Vorsehen von Leitprofilen, welche die Strömung in
eine seitwärts
rotierende Strömung,
zusätzlich
zur Rotation entlang einer Achse senkrecht zur Strömungsrichtung,
bringen. Ein anderes Mittel dafür
ist eine keilförmige
oder wulstförmige
Anordnung im Querschnitt der Walze. Je nachdem, in welchem Rotationswinkel
sich relativ zu ihrer 0° Position,
in der sie mit der Kanalwand fluchtet, die Walze befindet, wird
durch den ausgenommenen Bereich eine höhere oder weniger hohe Rampe
bzw. Strömungsabrisskante 25 im
Ansaugkanal erzeugt, welche dazu führt, dass die Taumelströmung ausgelöst wird.
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Die
beschriebene Anordnung kann in vielfältiger Weise abgeändert werden.
Beispielsweise kann das Strömungssteuerbauteil
in Form einer Klappe ausgebildet sein, die in Ruhe- bzw. Nullstellung
an der Saugrohrwand anliegt und in Wirkstellung zur Strömungsbeeinflussung
in das Saugrohr hinein vorsteht. Je nach erwünschter Beeinflussung der Strömung können der
Ort und die Richtung der Schwenkachse des Strömungssteuerbauteils unterschiedlich sein.
Entscheidend ist die Integration des Strömungssteuerbauteils in den
Zylinderkopf, die dessen hohe Wirksamkeit bei gleichzeitig einfacher
Montierbarkeit ermöglicht.
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- 10
- Kolben
- 12
- Einlassventil
- 14
- Auslassventil
- 16
- Einspritzdüse
- 18
- Zündkerze
- 20
- Einlasskanal
- 22
- Saugrohr
- 24
- Strömungssteuerbauteil
- 25
- Strömungsabrisskante
- 26
- Schwenkflügel
- 27
- ausgenommener
Bereich
- 28
- Querbohrung
- 30
- Wellenzapfen
- 32
- Zylinderkopf
- 34
- Lagerflansch
- 36
- Drehmechanismus