DE10338132A1

DE10338132A1 - Einlasskanalanordnung für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10338132A1
Application number: DE10338132A
Authority: DE
Inventors: Harald Stütz; Markus Schwarzl; Reinhard Glanz; Manfred Suppan
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2002-08-23
Filing date: 2003-08-15
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2023-08-16
Also published as: JP2004084668A; JP3914190B2; US6880509B2; DE10338132B4; US20040159300A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einlasskanalanordnung (1) für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, bei der der Drall zumindest einer über mindestens eine Einlassöffnung (12) in einen Brennraum (18) mündenden Einlassströmung veränderbar ist, wobei die Einlassöffnung (12) durch ein Einlassventil (5) gesteuert ist und bei zumindest einem Einlassventil (5) zumindest zwei durch voneinander völlig getrennte Einlasskanäle gebildete Einlassströmungswege vorgesehen sind, welche sich im Bereich des Ventilraumes (4) vereinigen, und wobei zumindest einer der Einlasskanäle als Primärkanal (2) und zumindest ein Einlasskanal als Sekundärkanal (3) ausgebildet ist und wobei der Durchfluss durch den Sekundärkanal (3) mittels einer Steuereinrichtung (9) veränderbar ist, und wobei der Sekundärkanal (3) als Neutral- oder Tangentialkanal ausgebildet ist. Um auf fertigungstechnisch einfache und raumsparende Weise einen hohen Durchfluss bei hohem Drallniveau einerseits und andererseits einen weiten Verstellbereich des Dralles zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass der als Tangentialkanal ausgebildete Primärkanal (2) im Schnittbereich eines ersten Eintrittsquerschnittes mit der Einlassöffnung (12) eine Abrisskante (8) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einlasskanalanordnung für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, bei der der Drall zumindest einer über mindestens eine Einlassöffnung in einen Brennraum mündenden Einlassströmung veränderbar ist, wobei die Einlassöffnung durch ein Einlassventil gesteuert ist und bei zumindest einem Einlassventil zumindest zwei durch voneinander völlig getrennte Einlasskanäle gebildete Einlassströmungswege vorgesehen sind, welche sich im Bereich des Ventilraumes vereinigen, und wobei zumindest einer der Einlasskanäle als Primärkanal und zumindest ein Einlasskanal als Sekundärkanal ausgebildet ist und wobei der Durchfluss durch den Sekundärkanal mittels einer Steuereinrichtung veränderbar ist, und wobei der Sekundärkanal als Neutral- oder Tangentialkanal ausgebildet ist.
Aus der EP 0 258 207 B1 ist ein Einlasskanal für Brennkraftmaschinen mit einer in Längsrichtung verlaufenden Trennwand bekannt. Um einerseits bei Teillast eine genügend starke Drallströmung im Zylinder und andererseits bei höheren Drehzahlen die bestmögliche Füllung des Zylinders zu erreichen, ist die Trennwand in einem ein an sich sehr niedriges Drallniveau erzeugenden Einlasskanal parallel zur Zylinderachse angeordnet. Wird für Teillast eine drallbehaftete Strömung gewünscht, so wird ein Kanalteil mit einer Steuerklappe verschlossen. Es erfolgt damit ein unsymmetrisches Einströmen durch das Ventil in den Zylinder und durch Wechselwirkung mit der Zylinderwand kommt es zur Ausbildung einer stark drehenden Ladungsbewegung. Nachteilig ist, dass aufgrund der grundsätzlich neutralen Kanalform nur ein Drallintervall von niedrigen bis mittleren Drallwerten überstrichen wird.
Die US 4,930,468 A beschreibt eine Einlasskanalanordnung mit einem durch eine vertikale Trennwand in einen Primär- und einen Sekundärkanal geteilten Einlasskanal, welcher in einem relativ steilen Winkel in den Brennraum einmündet. Eine Abrisskante im Bereich eines ersten Eintrittsquerschnittes des Primärkanals ist nicht vorgesehen. Auch hier lassen sich nur mittlere Drallwerte erreichen.
Abrisskanten im Mündungsbereich eines in einen Brennraum eintretenden ungeteilten Einlasskanals sind aus der EP 0 554 235 A1 oder der DE 40 12 492 A1 bekannt.
Die AT 003.137 U1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit zwei Einlassventilen pro Zylinder, zu welchem jeweils ein Einlasskanal führt. Einer der beiden Einlasskanäle ist durch eine sich über die gesamte Kanalhöhe sich erstreckende Trenn wand in zwei Teilkanäle unterteilt. Auch hier ist der Drall nur in einem relativ engen Drallintervall verstellbar.
Weiters ist aus der AT 402 326 B1 ein Zylinderkopf mit zwei Einlasskanälen pro Zylinder bekannt, von denen einer durch eine Trennwand in zwei Teilkanäle geteilt ist. Beide Einlasskanäle sind als Füllungskanäle ausgebildet, deren Kanalwände eine drallfreie Strömung im Kanal selbst gewährleisten. Wie bei der AT 003.137 U1 hat diese Konstruktion den Nachteil, dass der Drall nur in einem relativ engen Drallintervall verstellbar ist.
Die Forderung nach einer variablen Drallregulierung bei Brennkraftmaschinen führt zu einem Zielkonflikt zwischen einem möglichst in einem weiten Bereich einstellbaren Drall einerseits und einem möglichst hohen Durchfluss bei hohem Drallniveau andererseits.
Aus der AT 5.037 U1 ist eine Einlasskanalanordnung für eine Brennkraftmaschine mit einem Primärkanal und einem Sekundärkanal bekannt, wobei der Primärkanal spiralartig ausgebildet ist. Der Sekundärkanal ist über eine Steuereinrichtung verschließbar. Dadurch kann einerseits ein weiter Drallverstellbereich realisiert werden und andererseits sowohl bei hohem, als auch bei niedrigem Drallniveau ein guter Durchfluss erreicht werden. Als Spiralkanäle ausgebildete Primärkanäle können aber aus Platzgründen oder fertigungsbedingt nicht in allen Brennkraftmaschinen eingesetzt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einlasskanalanordnung zu entwickeln, welche einfach herzustellen ist, möglichst wenig Platz in Anspruch nimmt, einen hohen Durchfluss bei hohem Drallniveau, sowie einen weiteren Verstellbereich des Dralles ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der als Tangentialkanal ausgebildete Primärkanal im Schnittbereich eines ersten Eintrittsquerschnittes mit der Einlassöffnung eine Abrisskante aufweist. Die beiden radial bezüglich der Zylinderachse zumindest im Bereich des Ventilraumes im Wesentlichen nebeneinander angeordneten Einlasskanäle führen zu einem einzigen Einlassventil, wobei vorzugsweise der Primärkanal einen größeren Abstand zur Zylinderachse aufweist, als der Sekundärkanal. Der Sekundärkanal kann in seiner Ausführung zwischen einem Neutral- oder einem Tangentialkanal bzw. Zwischenstufen zwischen diesen beiden Ausbildungen variieren. Durch diese Konstruktion kann einerseits ein sehr weiter Drallverstellbereich realisiert werden und andererseits sowohl bei hohem, als auch bei niedrigem Drallniveau ein guter Durchfluss erreicht werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Abrisskante durch Verschneidung der Einlasskanalwand mit einem Kontrollschnitt gebildet ist. Der Primärkanal mündet dabei flach in den Zylinderraum ein, wobei vorzugsweise die der Zylinderkopfebene am nächsten liegende Kanalunterseite des Primärkanals mit der Zylinderkopfebene einen Winkel β<60°, vorzugsweise β<45° einschließt.
Um eine gute Drallbildung zu erreichen, ist vorgesehen, dass der Querschnitt des Primärkanals im Bereich des ersten Eintrittsquerschnittes vorzugsweise in etwa tangentialer Richtung bezüglich der Zylinderachse eingeengt ist.
In weiterer Ausführung der Erfindung sind pro Zylinder mindestens zwei Einlassöffnungen und pro Einlassöffnung ein Primärkanal und ein Sekundärkanal vorgesehen. Vorzugsweise ist dabei in jedem Sekundärkanal eine Steuereinrichtung angeordnet. Eine besonders hohe Drallzahl kann dabei erreicht werden, wenn auch in einem Primärkanal eine Steuereinrichtung angeordnet ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
1 eine erfindungsgemäße Einlasskanalanordnung eines Zylinders in einer ersten Ausführungsvariante in einer Draufsicht,
2 die Einlasskanalanordnung in einem Schnitt gemäß der Linie II-II in 1,
3 die Einlasskanalanordnung in einem Schnitt gemäß der Linie III-III in 1,
4 die Einlasskanalanordnung in einem Schnitt gemäß der Linie IV-IV in 1,
5 ein Kennliniendiagramm dieser Einlasskanalanordnung,
6 eine erfindungsgemäße Einlasskanalanordnung in einer zweiten Ausführungsvariante in einer Draufsicht und
7 ein Kennliniendiagramm der zweiten Ausführungsvariante.
Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungsbeispielen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Einlasskanalanordnung 1 für den Zylinderkopf 17 einer Brennkraftmaschine weist einen Primärkanal 2 und einen Sekundärkanal 3 auf, welche sich im Bereich des Ventilraumes 4 des Einlassventils 5 vereinigen. Primärkanal 2 und Sekundärkanal 3 sind bis zur Einmündung in den Ventilraum 4 völlig getrennt voneinander ausgeführt. Der Primärkanal 2 ist dabei als Tangentialkanal und der Sekundärkanal 3 als Neutralkanal oder aber auch als Tangentialkanal ausgebildet.
Der Sekundärkanal 3 kann in seiner Ausführung auch zwischen einem Neutraloder einem Tangentialkanal bzw. Zwischenstufen zwischen Neutral- und Tangentialkanal variieren. Die beiden von einem nicht dargestellten Einlasssammler ausgehenden Einlasskanäle 2, 3 führen zu einem einzigen Einlassventil 5 wobei zumindest im Bereich des Ventilraumes 4 Primär- und Sekundärkanal 2, 3 bezüglich der Zylinderachse 6 des Zylinders 7 radial nebeneinander angeordnet sind. Der tangential in den Zylinder 7 einmündende Primärkanal 2 ist dabei von der Zylinderachse 6 weiter beabstandet als der Sekundärkanal 3. Der Zylinder 7 bildet mit dem Zylinderkopf 17 und einen nicht weiter dargestellten Kolben einen Brennraum 18.
Der Sekundärkanal 3 wird durch eine Steuereinrichtung 9, welche als Klappe, Schieber oder als Walzenschieber oder dergleichen ausgebildet sein kann, ganz oder teilweise verschlossen. Die Flanschfläche 10 des Sekundärkanals 3 kann dabei etwas versetzt zur Flanschfläche 11 des Primärkanals 2 angeordnet sein, so dass die Achse 9a einer als Klappe ausgeführten Steuereinrichtung 9 nicht durch den Querschnitt des Primärkanals 2 führt. Auch im Primärkanal 2 kann gegebenenfalls eine Steuereinrichtung angeordnet werden, wodurch eine zusätzliche Drallverstellmöglichkeit gegeben ist. Die Flanschflächen 10, 11 gehen im Ausführungsbeispiel von einer parallel zur Zylinderachse 6 angeordneten Seitenwand 19 des Zylinderkopfes 17 aus. Genau so können die Flanschflächen 10, 11 von einer nicht weiter dargestellten oberen Deckfläche des Zylinderkopfes 17 ausgehen oder geneigt zur Deckfläche und zur Seitenwand 19 ausgebildet sein. Weiters ist es denkbar, dass eine der beiden Flanschflächen 10, 11 vom Deckenbereich und die andere von einer Seitenwand 19 des Zylinderkopfes 17 ausgeht.
Um eine stark ausgebildete Drallströmung im Brennraum 18 zu erreichen, ist im Verschneidungsbereich zwischen einem ersten Eintrittsquerschnitt E des Primärkanals 2 und der Einlassöffnung 12 eine Abrisskante 8 an der der Zylinderkopfebene 14 am nächsten liegenden unteren Kanalwand 13 ausgebildet. Die Einlassöffnung 12 wird im Ausführungsbeispiel durch einen Ventilsitzring 20 begrenzt. Die untere Kanalwand 13 schließt mit der Zylinderkopfebene 14 einen Winkel β<45° ein. Im Bereich des ersten Eintrittquerschnittes E ist der Primärkanal 2 zwischen unterer Kanalwand 13 und oberer Kanalwand 15 in etwa tangentialer Richtung bezüglich der Zylinderachse 6 eingeengt.
Die Abrisskante 8 sowie die Formgebung des Primärkanals 2 entsteht durch den Kontrollschnitt 16 im Bereich der Einlassöffnung 12.
Die Einlasskanalanordnung 1 kann bei Brennkraftmaschinen mit einem Einlassventil 5, aber auch bei Brennkraftmaschinen mit zwei oder mehreren Einlassventilen pro Zylinder 7 eingesetzt werden. Bei Brennkraftmaschinen mit zwei oder mehreren Einlassventilen pro Zylinder 7 ergibt sich die Möglichkeit, den Primärkanal 2 mit anderen Primärkanälen des Einlasssystems innerhalb des Zylinderkopfes zusammenzuführen.
In 5 ist für eine beispielhafte Einlasskanalordnung mit einer als Klappe ausgebildeten Steuereinrichtung, Drall D und Durchfluss Q, über dem Klappenwinkel α aufgetragen. Mit dem Klappenwinkel α=0 ist die geschlossene Klappenstellung bezeichnet. Bei etwa 78° ist die Klappe vollständig geöffnet. Deutlich ist erkennbar, dass der Drall D zwischen geöffneter Stellung 0 und geschlossener Stellung C weit variierbar ist, wobei sich der Durchfluss Q nur relativ wenig vermindert.
6 zeigt eine Ausführungsvariante einer Einlasskanalanordnung 1 für eine Brennkraftmaschine mit zwei Einlassöffnungen 12 pro Zylinder 7. Zu jeder Einlassöffnung 12 führt ein Primärkanal 2 und ein Sekundärkanal 3. In zumindest einem Sekundärkanal 3, vorteilhafterweise in jedem Sekundärkanal 3, ist eine Steuereinrichtung 9 zur Kanalabschaltung angeordnet. Besonders hohe Drallzahlen lassen sich erreichen, wenn auch in einem Primärkanal 2 eine Steuereinrichtung 29 angeordnet ist, welche im Ausführungsbeispiel als um eine Achse 29a drehbare Klappe ausgebildet ist.
In 7 ist für die in 6 gezeigte Ausführung Durchflusszahl Q und reduzierte Drallzahl D in einem Diagramm für drei Steuereinrichtungen 9, 29 – in beiden Sekundärkanälen 3 und in einem Primärkanal 2 – aufgetragen. Dabei sind die Fälle a – alle Klappen geöffnet, b – eine Klappe geschlossen, c – zwei Klappen geschlossen und d – drei Klappen geschlossen, eingezeichnet. Wie ersichtlich ist, lassen sich mit drei Steuereinrichtungen 9, 29 hohe Drallzahlen >4,5 (nach der Flügelradmethode) umsetzen.
Im Vergleich mit herkömmlichen Einlasskanalanordnungen mit einem Einlasskanal, welcher durch eine Trennwand in zwei Kanalteile getrennt ist, ergibt sich bei allen Ausführungsvarianten der Vorteil eines großen Drallverstellbereiches.

Claims

Einlasskanalanordnung (1) für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, bei der der Drall zumindest einer über mindestens eine Einlassöffnung (12) in einen Brennraum (18) mündenden Einlassströmung veränderbar ist, wobei die Einlassöffnung (12) durch ein Einlassventil (5) gesteuert ist und bei zumindest einem Einlassventil (5) zumindest zwei durch voneinander völlig getrennte Einlasskanäle gebildete Einlassströmungswege vorgesehen sind, welche sich im Bereich des Ventilraumes (4) vereinigen, und wobei zumindest einer der Einlasskanäle als Primärkanal (2) und zumindest ein Einlasskanal als Sekundärkanal (3) ausgebildet ist und wobei der Durchfluss durch den Sekundärkanal (3) mittels einer Steuereinrichtung (9) veränderbar ist, und wobei der Sekundärkanal (3) als Neutral- oder Tangentialkanal ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der als Tangentialkanal ausgebildete Primärkanal (2) im Schnittbereich eines ersten Eintrittsquerschnittes mit der Einlassöffnung (12) eine Abrisskante (8) aufweist.
Einlasskanalanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abrisskante (8) durch Verschneidung der Kanalwand des Primärkanals (2), vorzugsweise einer der Zylinderkopfebene (14) am nächsten liegenden unteren Kanalwand (13), mit einem Kontrollschnitt (16) gebildet ist.
Einlasskanalanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Primärkanals (2) im Bereich des ersten Eintrittsquerschnittes (E), vorzugsweise in etwa tangentialer Richtung bezüglich der Zylinderachse (6), eingeengt ist.
Einlasskanalanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Primärkanal (2) und Sekundärkanal (3) zumindest im Bereich des Ventilraumes (4) bezüglich der Zylinderachse (6) radial nebeneinander angeordnet sind, wobei vorzugsweise der Primärkanal (2) einen größeren Abstand zur Zylinderachse (6) aufweist als der Sekundärkanal (3).
Einlasskanalanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärkanal (2) flach in den Brennraum (18) einmündet, wobei vorzugsweise die der Zylinderkopfebene (14) am nächsten liegende untere Kanalwand (13) des Primärkanals (2) mit der Zylinderkopfebene (14) einen Winkel β<60°, vorzugsweise β<45° einschließt.
Einlasskanalanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass pro Zylinder mindestens zwei Einlassöffnungen (12) und pro Einlassöffnung (12') ein Primärkanal (2) und ein Sekundärkanal (3) vorgesehen sind.
Einlasskanalanordnung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Sekundärkanal (3) eine Steuereinrichtung (9) angeordnet ist.
Einlasskanalanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auch in einem Primärkanal (2) eine Steuereinrichtung (29) angeordnet ist.