DE102009030056A1

DE102009030056A1 - Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102009030056A1
Application number: DE102009030056A
Authority: DE
Inventors: Paul Dr. Kapus
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2008-06-26
Filing date: 2009-06-22
Publication date: 2009-12-31
Also published as: AT505191A3; AT505191A2; AT505191B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf (1) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine aufgeladene Brennkraftmaschine, mit zumindest einem in einen Brennraum (3) mündenden, tumbleerzeugend ausgebildeten Einlasskanal (2), wobei eine Kanalwand (6) des Einlasskanals (2) unmittelbar stromaufwärts eines Ventilsitzringes (4) im Bereich einer der Zylinderachse (18) entfernteren ersten Seite (5) eine eingeformte Strömungsabrisskante (7) aufweist. Um Ablagerungen im Einlasskanal (2) zu vermeiden, wird vorgeschlagen, dass die Kanalwand (6) im Bereich einer der Zylinderachse (19) näheren, der Abrisskante (7) gegenüberliegenden zweiten Seite (9) - innerhalb der Fertigungstoleranzen - im Wesentlichen stetig und/oder übergangslos zwischen einem materialabtragend nachbearbeiteten und einem unbearbeiteten gegossenen Kanalbereich ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine aufgeladene Brennkraftmaschine, mit zumindest einem in einen Brennraum mündenden, tumbleerzeugend ausgebildeten Einlasskanal, wobei eine Kanalwand des Einlasskanals unmittelbar stromaufwärts eines Ventilsitzringes im Bereich einer der Zylinderachse entfernteren ersten Seite eine eingeformte Strömungsabrisskante aufweist.
Aus der AT 500.926 A2 ist eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit tumbleerzeugend ausgebildeten Einlasskanälen bekannt, welche eine Tumbleströmung im Brennraum erzeugen, deren Hauptströmungsrichtungen der über die Einlassventile in den Brennraum eingesaugten Teilströme mit einer durch die Zylinderachsen einer Zylinderreihe bestimmten Längsebene je einen spitzen Winkel einschließen. Jeder Einlasskanal weist unmittelbar stromaufwärts des Ventilsitzringes eine eingeformte Strömungsabrisskante auf, wobei die Strömungsabrisskante durch eine Verschneidung des im Wesentlichen stetig verlaufenden Zulaufteiles des Einlasskanals mit einem sich in Strömungsrichtung sich erweiternden konischen Wandabschnitt im Bereich des Ventilsitzringes gebildet ist. Der konische Wandabschnitt wird durch einen koaxial zur Ventilsitzringachse zugestellten Kontrollfräser eingearbeitet, wobei der Kontrollfräser einen zylindrischen, kegeligen oder gekrümmten Mantelbereich aufweist. Durch diese materialabtragende Nachbearbeitung des Mündungsbereiches des Einlasskanals entsteht auf der der Strömungsabrisskante gegenüberliegenden Seite der Kanalwand durch die Verschneidung des kegeligen Nachbearbeitungsbereiches mit der unbearbeiteten Kanalwand eine durch eine Kante gebildete Unstetigkeit, welche zu Strömungsverwirbelungen der Einlassströmung führt. Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass durch diese Strömungsverwirbelungen Ablagerungen an der Kanalwand entstehen, welche bei Ablösungen Motorschäden verursachen könnten.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art Ablagerungen an der Kanalwand zu vermeiden.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Kanalwand im Bereich einer der Zylinderachse näheren, der Abrisskante gegenüberliegenden zweiten Seite – innerhalb der Fertigungstoleranzen – im Wesentlichen stetig und/oder übergangslos zwischen einem materialabtragend nachbearbeiteten und einem unbearbeiteten gegossenen Kanalbereich ausgebildet ist, wobei vorzugsweise die innere Mantelfläche des Ventilsitzringes konisch geformt ist.
Weiters können Ablagerungen vermieden werden, wenn die innere Mantelfläche des Ventilsitzringes im Bereich der zweiten Seite der Kanalwand stetig in die Kanalwand übergeht, wobei vorzugsweise der Übergangsbereich zwischen der zweiten Seite der Kanalwand und dem Ventilsitzring einen Krümmungsradius zwischen etwa 3 mm bis 25 mm aufweist.
Im Rahmen der Erfindung kann weiters vorgesehen sein, dass – in einem Längsschnitt betrachtet – eine Tangente auf die erste Seite der Kanalwand stromabwärts der Strömungsabrisskante und eine Tangente auf die zweite Seite der Kanalwand einen Winkel von etwa 90° ± 10° einschließen, und dass gegenüberliegende Mantellinien der inneren Mantelfläche des Ventilsitzringes oder Tangenten darauf einen Winkel < 60° einschließen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Mündungsbereich der Kanalwand des Einlasskanals mit einem materialabtragenden Werkzeug mit zwei konischen Bereichen bearbeitet ist, wobei gegenüberliegende Mantellinien des ersten konischen Bereiches einen Winkel von etwa 90° ± 10° und gegenüberliegende Mantellinien des zweiten konischen Bereiches einen Winkel < 60° einschließen, wobei vorzugsweise das materialabtragende Werkzeug zwischen dem ersten konischen Bereich und dem zweiten konischen Bereich einen Übergangsradius zwischen 3 mm und 25 mm aufweist.
Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass der Mündungsbereich der Kanalwand des Einlasskanals mit einem materialabtragenden Werkzeug mit einem konischen Bereich und einem zylindrischen Bereich bearbeitet ist, wobei vorzugsweise zwischen dem konischen Bereich und dem zylindrischen Bereich ein Übergangsradius von etwa 3 mm bis 25 mm ausgebildet ist.
Wesentlich ist, dass zwischen dem nachbearbeiteten und dem unbearbeiteten Bereich des Einlasskanals keine Verschneidungskante im Bereich der zweiten Seite der Kanalwand auftritt, welche zu Ablösungen und Verwirbelungen der Einlassströmung führen könnte. Die bearbeitete Fläche der Kanalwand muss somit möglichst tangential zur unbearbeiteten Kanalwand ausgebildet sein, was durch die genannten Merkmale gewährleistet ist. Weiters ist es von Bedeutung, dass zwischen Einlasskanal und Ventilsring ein harmonischer Übergang der Kanalwand und/oder der Mantelfläche des Ventilsitzringes ausgebildet ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Einlasskanal eine erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine im Längsschnitt;
2 das Detail II des Einlasskanals aus 1;
3 das Detail III des Einlasskanals aus 1; und
4 das Detail IV des Einlasskanals auf 1.
1 zeigt einen Zylinderkopf 1 einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit einem tumbleerzeugend ausgebildeten Einlasskanal 2, welcher in einem flachen Winkel in einen Brennraum 3 einmündet. Im Mündungsbereich des Einlasskanals 2 in den Brennraum 3 ist ein Ventilsitzring 4 im Zylinderkopf 1 angeordnet. Im Bereich einer ersten Seite 5 der Kanalwand 6 des Einlasskanals 2, welche in einer der Zylinderachse 18 entfernten Region angeordnet ist, ist eine Strömungsabrisskante 7 in die Kanalwand 6 unmittelbar stromaufwärts des Ventilsitzringes 4 eingeformt. Die Abrisskante 7 entsteht dabei durch Nachbearbeitung des gegossenen Einlasskanals 2 mit einem durch Bezugszeichen 8 angedeuteten Werkzeug, zum Beispiel einem Kontrollfräser. Mit den strichlierten Linien 8a ist dabei ein aus dem Stand der Technik bekanntes Werkzeug angedeutet. Der mit dem bekannten Werkzeug 8a geformten Kontrollschnitt hatte bisher den Nachteil, dass an einer der ersten Seite 5 gegenüberliegenden zylinderachsnahen zweiten Seite 9 der Kanalwand 6 des Einlasskanals 2 im Bereich 10a, 10b ausgeprägte Übergangskanten entstanden sind, welche zur Bildung von Toträumen 10c und entsprechenden Verwirbelungen der Einlassströmung geführt haben. Diese hatten den Nachteil, dass es bisher im Bereich der zweiten Seite 9 zu starken Ablagerungserscheinungen gekommen ist, welche bei Ablösung von der Kanalwand 6 Teile der Brennkraftmaschine mehr oder weniger stark beschädigen konnten.
Um dies zu vermeiden, wird der Kontrollschnitt gemäß einem Vorschlag der Erfindung mit einem im Wesentlichen doppelkonischen Werkzeug 8 durchgeführt, welches zwei verschieden konische Bereiche 11, 12 aufweist, deren gegenüberliegende Mantellinien 11a, 11b; 12a, 12b verschieden große Winkel α, β miteinander aufspannen. Die gegenüberliegenden Mantellinien 11a, 11b des ersten konischen Bereiches 11 spannen dabei einen Winkel α von etwa 90° ± 10° auf. Der Winkel β zwischen den gegenüberliegenden Mantellinien 12a, 12b des zweiten konischen Bereiches 12 des Werkzeuges 8 ist dagegen kleiner als etwa 60° ausgebildet.
Analog dazu wird der Winkel α von Tangenten t₁, t₂ auf die erste Seite 5 bzw. die zweite Seite 9 der Kanalwand 6 aufgespannt. Der Winkel β kann auch durch die gegenüberliegenden Mantellinien 4b, 4c der inneren Mantelfläche 4a des Ventilsitzringes 4 definiert werden.
Alternativ dazu kann in der in 2 mit strichpunktierten Linien eingetragenen weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsvariante an einen einzigen konischen Bereich 11 ein zylindrischer Bereich 19 anschließen, wobei zwischen dem koni schen Bereich 11 und dem zylindrischen Bereich 19 ein Übergangsradius R von 3 bis 25 mm vorgesehen ist.
In beiden Fällen entsteht durch den Übergangsradius ein harmonischer Übergang zwischen dem Ventilsitzring 4 und der Kanalwand 6.
Wesentlich ist, dass bei der Nachbearbeitung durch das materialabtragende Werkzeug 8 im Bereich der zweiten Seite 9 der Kanalwand 6 – im Rahmen der Fertigungstoleranzen – keine scharfe Kante zwischen der bearbeiteten Fläche und der unbearbeiteten Fläche des Einlasskanals 2 auftritt. Die Gusstoleranz beträgt beispielsweise bei einem Einlasskanal 2 zwischen 0,5 mm bis 0,7 mm. Dadurch wird erreicht, dass die Kanalwand 6 zwischen dem Dom 13 des Einlassventils 14 und dem Ventilsitz 15 des Ventilsitzringes 4 im Bereich der zweiten Seite 9 stetig gekrümmt ist, wobei zwischen einem ersten geraden Abschnitt 16 der Kanalwand 6 und einem zweiten geraden Abschnitt 17 im Bereich des Ventilsitzringes 4 ein Übergangsradius R zwischen 3 mm bis 25 mm ausgebildet ist.
Ein Merkmal der erfindungsgemäßen Bearbeitung ist, dass die innere Mantelfläche 4a des Ventilsitzringes 4 nicht zylindrisch, sondern kegelförmig gestaltet ist und im Bereich der zweiten Seite 9 der Kanalwand 6 verlaufend mit der Kanalwand 6 geformt ist, wobei im Übergang zwischen der Kanalwand 6 und dem Ventilsitzring 4 der Übergangsradius R ausgebildet ist.
Durch die beschriebene Gestaltung des Einlasskanals 2 mit dem speziell geformten Werkzeug 8 können Ablagerungen im Bereich der zweiten Seite 9 des Einlasskanals 2 zuverlässig verhindert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- AT 500926 A2 [0002]

Claims

Zylinderkopf (1) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine aufgeladene Brennkraftmaschine, mit zumindest einem in einen Brennraum (3) mündenden, tumbleerzeugend ausgebildeten Einlasskanal (2), wobei eine Kanalwand (6) des Einlasskanals (2) unmittelbar stromaufwärts eines Ventilsitzringes (4) im Bereich einer der Zylinderachse (18) entfernteren ersten Seite (5) eine eingeformte Strömungsabrisskante (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalwand (6) im Bereich einer der Zylinderachse (19) näheren, der Abrisskante (7) gegenüberliegenden zweiten Seite (9) – innerhalb der Fertigungstoleranzen – im Wesentlichen stetig und/oder übergangslos zwischen einem materialabtragend nachbearbeiteten und einem unbearbeiteten gegossenen Kanalbereich ausgebildet ist.
Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Mantelfläche (4a) des Ventilsitzringes (4) konisch geformt ist.
Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalwand (6) im Bereich der zweiten Seite (9) der Kanalwand (6) stetig in die innere Mantelfläche (4a) des Ventilsitzringes (4) übergeht.
Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich zwischen der zweiten Seite (9) der Kanalwand (6) und dem Ventilsitzring (4) einen Krümmungsradius (R) zwischen etwa 3 mm bis 25 mm aufweist.
Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass – in einem Längsschnitt betrachtet – eine Tangente (t₁) auf die erste Seite (5) der Kanalwand (6) stromabwärts der Strömungsabrisskante (7) und eine Tangente (t₂) auf die zweite Seite (9) der Kanalwand (6) einen Winkel (α) von etwa 90° ± 10° einschließen.
Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass gegenüberliegende Mantellinien (4b, 4c) der inneren Mantelfläche (4a) des Ventilsitzringes (4) oder Tangenten darauf einen Winkel (β) < 60° einschließen.
Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Einlasskanal (2) und Ventilsring (4) ein harmonischer Übergang der Kanalwand (6) und/oder der Mantelfläche (4a) des Ventilsitzringes (4) ausgebildet ist.
Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Mündungsbereich der Kanalwand (6) des Einlasskanals (2) mit einem materialabtragenden Werkzeug (8) mit zwei konischen Bereichen (11, 12) bearbeitet ist, wobei gegenüberliegende Mantellinien (11a, 11b) des ersten konischen Bereiches (11) einen Winkel (α) von etwa 90° ± 10° und gegenüberliegende Mantellinien (12a, 12b) des zweiten konischen Bereiches (12) einen Winkel (β) < 60° einschließen.
Zylinderkopf (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das materialabtragende Werkzeug (8) zwischen dem ersten konischen Bereich (11) und dem zweiten konischen Bereich (12) einen Übergangsradius (R) zwischen 3 mm und 25 mm aufweist.
Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Mündungsbereich der Kanalwand (6) des Einlasskanals (2) mit einem materialabtragenden Werkzeug (8) mit einem konischen Bereich (11) und einem zylindrischen Bereich (19) bearbeitet ist, wobei vorzugsweise zwischen dem konischen Bereich und dem zylindrischen Bereich (19) ein Übergangsradius (R) von etwa 3 mm bis 25 mm ausgebildet ist.