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Die
Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine.
Der Zylinderkopf weist mindestens einen Einlasskanal für ein in einen
Verbrennungsraum zu führendes
Gas und eine an der Wandung des Einlasskanals über eine Welle schwenkbar montierte
Klappe auf, mit der die Strömungsrichtung
des in dem Einlasskanal geführten Gases
steuerbar verändert
werden kann. Mit der im Einlasskanal montierten schwenkbaren Klappe
soll im Verbrennungsraum ein gewünschter
Wirbel (Tumble) des Luft-Kraftstoff-Gemisches erzeugt werden, wodurch
eine gezielte Verbrennung gesichert werden soll.
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Ein
derartiger Zylinderkopf für
eine Hubkolben-Brennkraftmaschine
ist aus der internationalen Patentanmeldung WO 91/14858 bekannt.
Bei der in 7 dargestellten Ausführungsform
ist eine schwenkbare Klappe 30 im Einlasskanal vorgesehen,
mit der ein Wirbel im Kraftstoff-Luftgemisch erzeugt werden soll.
Die Klappe 30 ist an einer drehbaren Welle 32 montiert,
sodass die Klappe 30 ausgehend von einer eingeschwenkten
Position in einer Aussparung 34 der Kanalwand in den Einlasskanal ausgeschwenkt
werden kann. Die Welle 32 ist in einer weiteren Aussparung 33 der
Kanalwand gelagert, die die Welle 32 auf einem großen Teil
ihres Umfanges formschlüssig
umgibt. Nachteil dieser Bauweise ist jedoch, dass die in der Kanalwand
befindlichen Aussparungen 33 und 34 aufwändig zu
fertigen sind. Der relevante Bereich des Einlasskanals ist für Bearbeitungs-
und Montagewerkzeuge schwer zugänglich.
Werkzeuge zum Befestigen der Klappe 30 an der welle 32 müssen durch
den Einlasskanal 14 geführt
werden und behindern die Sicht auf die Klappe 30. Es ist
daher schwierig, die Klappe 30 gleichzeitig in einer gewünschten
Stellung in Bezug zur Welle 32 zu halten und sie in dieser
Stellung an der Welle 32 zu befestigen.
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Aus
dem Gebrauchsmuster G 93 19 545.1, insbesondere deren 2, ist ein weiterer Hubkolbenmotor
der eingangs definierten Art bekannt. Die die Schwenkklappe tragende
Welle ist hier zwar in unmittelbarer Nachbarschaft zu einem Einlassflansch
des Zylinderkopfs dargestellt, sodass sie besser zugänglich ist
als die Klappe des Zylinderkopfs aus WO 91/14858, doch sind zur
Art der Anbringung von Welle und Klappe keine weiteren Angaben gemacht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen eingangs genannten Zylinderkopf
bereitzustellen, der bezüglich
der die Strömung
im Einlasskanal verändernden
Klappe einen einfachen Aufbau besitzt, einfach zu montierten ist
und kostengünstig
hergestellt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen Zylinderkopf mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 oder
10.
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Die
Unteransprüche,
sowohl zum Anspruch 1 als auch zum Anspruch 10, haben vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung zum Gegenstand.
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Demnach
wird ein Zylinderkopf für
eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit mindestens einem Einlasskanal für ein in
einen Verbrennungsraum zu führendes
Gas und einer an der Wandung des Einlasskanals über eine Welle schwenkbar montierten Klappe
zum steuerbaren Verändern
der Strömungsrichtung
des in dem Einlasskanal geführten
Gases bereitgestellt. Dabei ist die Klappe über eine die Welle in ihrem
Umfang zumindest teilweise umschließende Hülse mit der Welle verbunden.
Die Montage der Klappe in dem Einlasskanal wird hierdurch vereinfacht.
Die Klappe kann zur Montage am Zylinderkopf in den Einlasskanal
eingelegt und durch Hindurchschieben der Welle durch die Hülse mit
der Welle verbunden werden.
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Um
die Klappe mit der Welle verdrehfest zu verbinden, besteht die Möglichkeit,
zwischen der Hülse
und der Welle eine reibschlüssige
Verbindung, wie einen Klemmsitz oder Presssitz, eine formschlüssige Verbindung
durch beispielsweise Stifte oder Profile, oder eine Schraubverbindung
vorzusehen.
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Die
Klappe und die Hülse
können
einstückig ausgebildet
sein, beispielsweise in Form eines Gussteils. Es besteht jedoch
auch die Möglichkeit,
beide Teile getrennt voneinander zu fertigen und anschließend zu
einem Teil miteinander zu verbinden. Beispielsweise können beide
Teile durch eine Schraubverbindung miteinander verbunden werden.
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Vorzugsweise
ist die Welle in einer Aussparung der Wandung des Einlasskanals
angeordnet, die hinterschneidungsfrei an den Einlassflansch der Hubkolben-Brennkraftmaschine
angrenzt. Vorteil hiervon ist, dass die hinterschneidungsfreie Aussparung
auch gusstechnisch leicht zu fertigen ist. Zudem ist der Bereich
des Einlasskanals direkt hinter dem Einlassflansch für Bearbeitungs-
und Montagewerkzeuge leicht zugänglich,
so dass die Aussparung leicht zu bearbeiten und die Klappe einfach
zu montieren ist.
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Der
Zylinderkopf weist vorzugsweise eine oder mehrere Durchgangsbohrungen
zur Lagerung der Welle auf, wobei die Durchgangsbohrungen in einer
Verlängerung
der für
die Aufnahme der Welle im Einlasskanal bestimmten Aussparungen angeordnet sind.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Zylinderkopf besitzt
die Klappe vorzugsweise eine solche Länge, dass im ausgeschwenkten
Zustand der Klappe der gesamte Einlasskanal absperrbar ist. Damit
besteht die Möglichkeit,
beispielsweise bei Hubkolben-Brennkraftmaschinen, die zwei Einlasskanäle zu jedem
Verbrennungsraum aufweisen, einen der Kanäle vollständig zu verschließen.
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Vorzugsweise
nimmt die Klappe zu ihrem freien Ende hin in ihrer Wanddicke ab.
Besonders bevorzugt läuft
die Klappe zu ihrem freien Ende hin spitz zu. Vorteil hiervon ist,
dass das freie Ende der Klappe im eingeschwenkten Zustand der Klappe strömungstechnisch
günstig
an der Wandung des Einlasskanals anliegt, so dass zwischen dem freien Ende
der Klappe und der Wandung des Kanals kein wesentlicher Absatz vorhanden
ist.
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Die
Klappe kann aus Kunststoff und/oder Metall gefertigt sein. Gleiches
gilt für
die Hülse.
Bei dem Metall kann es sich um ein Metallblech handeln. Die Klappe
und/oder die Hülse
können
jedoch auch als Gussteil bzw. Gussteile gefertigt sein. Besonders bevorzugt
sind die Hülse
und die Klappe einstÜckig als
Gussteil ausgebildet. Hierbei kann es sich um einen Kunststoff-
oder Metallguss handeln.
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Vorzugsweise
umfasst der erfindungsgemäße Zylinderkopf
mehrere Einlasskanäle,
insbesondere zwei für
jeden Verbrennungsraum. Jeder der Einlasskanäle weist vorzugsweise mindestens
eine Klappe auf. Dabei sind die Klappen vorzugsweise über eine
gemeinsame Welle schwenkbar miteinander verbunden.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch von
einem in Anspruch 10 beschriebenen Zylinderkopf für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine
der eingangs genannten Gattung gelöst, bei welchem die Welle in
einer hinterschneidungsfrei an den Einlassflansch angrenzenden Aussparung
der Wandung des Einlasskanals angeordnet ist. Vorteil hiervon ist,
dass die hinterschneidungsfreie Aussparung gusstechnisch leicht
zu fertigen ist. Zudem ist der Bereich des Einlasskanals direkt
hinter dem Einlassflansch für
Bearbeitungs- und Montagewerkzeuge leicht zugänglich, sodass die Aussparung
leicht zu bearbeiten und die Klappe einfach zu montieren ist.
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Besonders
vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der die Klappe über eine
die Welle in ihrem Umfang zumindest teilweise umschließende Hülse mit der
Welle verbunden ist. Um eine Verbindung zwischen der Welle und der
Klappe herzustellen, wird die Welle einfach durch die Hülse hindurchgeschoben
und über
geeignete, bereits vorstehend erwähnte Mittel, verdrehfest mit
der Welle verbunden. Dies erleichtert eine Montage der Klappe bzw.
Klappen.
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Der
erfindungsgemäße Zylinderkopf
nach Anspruch 10 kann auch alle vorstehend bereits zu dem Zylinderkopf
nach Anspruch 1 genannten vorteilhaften Ausgestaltungen aufweisen.
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Die
erfindungsgemäßen Zylinderköpfe können für alle Verbrennungsmotoren,
wie Otto-, Diesel- und Erdgasmotoren, beispielsweise auch mit Direkteinspritzung,
eingesetzt werden.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch ein Kraftfahrzeug bereitgestellt,
das einen der vorstehend beschriebenen Zylinderköpfe aufweist.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigen
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1 eine
perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes 1,
bei welchem sich Klappen 3 im Einlasskanal in einer eingeschwenkten
Position befinden;
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2 denselben
Zylinderkopf 1 nach 1, bei welchem
sich die Klappen 3 in einer ausgeschwenkten Position befinden;
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3 eine
Explosionsdarstellung der Klappen 3 mit Welle 5;
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4 einen
Querschnitt durch den Zylinderkopf 1 nach 1 in
einer Ebene B;
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5 einen
Querschnitt durch den Zylinderkopf 1 nach 2 ebenfalls
in der Ebene B.
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1 veranschaulicht
eine Ausführungsform
eines Zylinderkopfes 1 gemäß der vorliegenden Erfindung
im vorliegenden Fall für
eine Hubkolben-Brennkraftmaschine in Vierventiltechnik. In 1 ist
ein Ausschnitt des Zylinderkopfes 1 in einer perspektivischen
Ansicht dargestellt. Ein ebener Einlassflansch 27 ist vorgesehen,
um daran einen (nicht dargestellten) Ansaugkrümmer zu montieren. Von dem
Einlassflansch 27 gehen zwei Einlasskanäle 2 aus, die in einen
gemeinsamen Verbrennungsraum der Hubkolben-Brennkraftmaschine münden. Der Verbrennungsraum
befindet sich größtenteils
in einem unterhalb des Zylinderkopfs befindlichen separaten Teil
der Brennkraftmaschine, auf das der Zylinderkopf montiert wird.
Für mehrere
Verbrennungsräume,
die eine Hubkolben-Brennkraftmaschine umfassen kann, ist der dargestellte
Ausschnitt des Zylinderkopfs 1 zu beiden Seiten um weitere
Ausschnitte zu verlängern.
Die nicht dargestellte Auslassseite des Zylinderkopfs 1 umfasst
analog zur Einlassseite zwei Auslasskanäle für jeden Verbrennungsraum. Die
diesbezügliche
Gestaltung ist dem Fachmann bekannt.
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Die
beiden Einlasskanäle 2 sind
durch einen mittigen Steg 9 voneinander getrennt. Über eine
gemeinsame Kraftstoffeinspritzdüse 4 wird
Kraftstoff in die Einlasskanäle 2 eingespritzt.
Unterhalb der Kraftstoffeinspritzdüse 4 befindet sich
eine Aussparung 14 in dem Steg 9, sodass Kraftstoff
in beide Einlasskanäle 2 gelangen
kann.
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In
jedem der Einlasskanäle 2 befindet
sich eine flache Klappe 3, die in ihrer in 1 gezeigten Stellung
am Boden des jeweiligen Einlasskanals 2 anliegt. Die Klappen 3 erstrecken
sich in ihrer Breite in etwa über
die Breite der Einlasskanäle 2. Über eine gemeinsame
Welle 5 können
die Klappen 3, wie in 2 dargestellt,
nach oben verschwenkt werden, sodass diese die Kanäle 2 zumindest
teilweise versperren und eine Art Rampe bilden. Hierdurch ist es möglich, die
Strömungsrichtung
des in den Verbrennungsraum strömenden
Kraftstoff-Luft-Gemisches steuerbar zu beeinflussen. Somit können im
Kraftstoff-Luft-Gemisch
gezielt Walzenwirbel (Tumble) erzeugt werden, die sich positiv auf
die Verbrennung im Verbrennungsraum der Hubkolben-Brennkraftmaschine
auswirken.
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Der
konstruktive Aufbau der Klappen 3 wird nun anhand der 3 näher erläutert. 3 zeigt
in einer Explosionsdarstellung beide Klappen 3, wobei die
rechte der beiden Klappen 3 bereits an der Welle 5 montiert
ist, wohingegen die linke der beiden Klappen 3 noch nicht
mit der Welle 5 verbunden ist. Die folgende Beschreibung
bezieht sich auf die bereits an der Welle 5 montierte rechte
Klappe 3. Die linke Klappe besitzt jedoch den gleichen
Aufbau wie die rechte Klappe und wird in entsprechender Weise an
der Welle 5 montiert. Die Klappe 3 weist ein erstes
Ende 6 mit einer Hülse 7 auf, über die
sie verdrehfest mit der Welle 5 verbunden ist. Die Länge der
Hülse 7 entspricht
in etwa der Breite der Klappe 3 an deren erstem Ende 6.
Die Hülse 7 umfasst
eine Durchgangsbohrung 8, durch die sich die Welle 5 erstreckt.
Die Hülse 7 umschließt die Welle 5 entlang
der Hülsenbreite über den
gesamten Wellenumfang. Die Hülse 7 ist über eine
Schraube 12 verdrehfest mit der Welle 5 verbunden.
Wie für
die linke der beiden Klappen 3 gezeigt, weisen die Klappe 3 und
die Hülse 7 ein Durchgangsloch 10 zur
Aufnahme der Schraube 12 auf. In der Welle 5 befindet
sich eine Gewindebohrung 13, in welche die Schraube 12 eingedreht
wird. In einer Senkung 11 am Durchgangsloch 10 ist
der Schraubenkopf 12 strömungstechnisch vorteilhaft eingelassen.
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In
der in 3 dargestellten Ausführungsform sind die Klappen 3 einstückig mit
den Hülsen 7 ausgebildet.
Ein derartiges Klappe-Hülse-Teil
kann beispielsweise als ein Gussteil hergestellt werden, in welchem
die Durchgangsbohrung 8 der Hülse 7 bereits beim
Gießen
erzeugt oder durch anschließende spanende
Bearbeitung eingebracht werden kann. Abweichend von der dargestellten
Ausführungsform können die
Klappen 3 und die zugehörigen
Hülsen 7 auch
separat gefertigt und anschließend
miteinander verbunden werden.
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Die
in 3 dargestellte Welle 5 ist in dem erfindungsgemäßen Zylinderkopf 1 in
einer entsprechenden Durchgangsbohrung gelagert. Diese ist in den 1 und 2 mit
der Bezugsziffer 15 bezeichnet und in gestrichelten Linien
dargestellt. Die Durchgangsbohrung 15 erstreckt sich über die
gesamte Länge
des dargestellten Zylinderkopfausschnittes bzw. bei Berücksichtigung
eines Zylinderkopfes, der sich aus mehreren der dargestellten Zylinderkopfausschnitte
zusammensetzen kann, über dessen
gesamte Länge.
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Die
in 3 dargestellten Klappen 3 besitzen eine
flache Form. Zu einem von der Hülse 7 abgewandten
freien Ende 17 hin nehmen die Klappen 3 zur Anpassung
an die Form der Einlasskanäle 2 in
ihrer Breite ab.
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Die 4 und 5 zeigen
einen Querschnitt durch den linken Einlasskanal 2 des Zylinderkopfs 1 der 1 und 2 in
einer Ebene B. Die 4 zeigt dabei eine Stellung
der Klappe 3, die derjenigen in der 1 entspricht,
und 5 eine Stellung der Klappe 3, die derjenigen
in der 2 entspricht. Obwohl nachfolgend nur der linke
der beiden Einlasskanäle 2 betrachtet
wird, gilt für
den rechten Entsprechendes.
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Neben
dem Einlasskanal 2 zeigen die 4 und 5 einen
Teil des Verbrennungsraums 20 der Hubkolben-Brennkraftmaschine
und ein Einlassventil 21, das in einer Ventilführung 22 gelagert
ist. Am Ende des Einlasskanals 2 befindet sich ein Einlassventilsitzring 23.
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Am
Eingang des Einlasskanals 2 befindet sich in der Wandung 25 des
Einlasskanals eine Aussparung 26. In dieser Aussparung 26 ist
die Welle 5 mit der sie umgebenden Hülse 7 eingelegt. Die
Aussparung 26 grenzt hinterschneidungsfrei an den Einlassflansch 27 des
Zylinderkopfs 1 an. Sie befindet sich am Boden des Einlasskanals 2.
Sie ist, wie auch aus den 1 und 2 zu
ersehen ist, in Anpassung an die Form der Hülse 7 rinnenförmig ausgebildet
und erstreckt sich in Längsrichtung
des Zylinderkopfs 1. Da die Aussparung 26 hinterschneidungsfrei an
den Einlassflansch 27 angrenzt, kann sie in Rahmen eines
Gussverfahrens ausgebildet werden, mit dem der Zylinderkopf üblicherweise
gefertigt wird. Eine alternative spanende Herstellung oder eine
zusätzliche
Nachbearbeitung der Aussparung 26 ist leicht möglich, da
die Stelle unmittelbar am Einlassflansch 27 für Werkzeuge
leicht zugänglich
ist.
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Die
in den 1 und 2 dargestellte Durchgangsbohrung 15 im
Zylinderkopf 1 bildet eine Fortsetzung der in der Wandung
des Einlasskanals 2 befindlichen Aussparung 26.
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Die
Klappe 3 nimmt, wie in den 4 und 5 dargestellt,
zu ihrem freien Ende 17 hin in ihrer Wanddicke ab. Sie
läuft zu
ihrem freien Ende 17 hin spitz zu. Vorteil hiervon ist,
dass das freie Ende 17 der Klappe 3 im eingeschwenkten
Zustand, d.h. wenn sie wie in 4 gezeigt
an der Wandung 25 des Einlasskanals 2 am Boden
anliegt, absatzfrei mit der Wandung 25 abschließt. Die
Bildung unerwünschter
Wirbel im Gasstrom wird somit vermieden.
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Die 5 zeigt
die Klappe 3 in einem ausgeschwenkten Zustand. Hierfür wurde
die Welle 5 um einen bestimmten Winkel in der in 1 gezeigten Drehrichtung
gedreht. Das in dem Einlasskanal 2 strömende Luft-Kraftstoff-Gemisch
wird durch die ausgeschwenkte Klappe 3 beeinflusst, sodass
ein gewünschter
Wirbel im Gasstrom erzeugt wird, der die Verbrennung im Verbrennungsraum 20 günstig beeinflusst.
Die Klappe 3 kann in ihrem Ausschwenkwinkel α variiert
werden. Beispielsweise kann eine stufenlose Verstellung vorgesehen
sein. Bei Volllast kann die Klappe beispielsweise wie in 4 dargestellt,
an die Wandung 25 des Kanals angelegt werden. Bei Teillast,
oder niedrigen Motordrehzahlen kann die Klappe 3, wie in 5 dargestellt,
in den Einlasskanal 2 ausgeschwenkt werden. Zwischen Teil-
und Volllast, kann durch Ausschwenken der Klappe 3 um einen
bestimmten Ausschwenkwinkel α der
entstehende Wirbel zur Erzielung einer optimalen Verbrennung und
eines optimales Drehmoments variiert werden. Hierdurch ist ein fließender Übergang zwischen
Teil- und Volllast möglich,
ohne dass unerwünschte
Gasverwirbelungen verursacht werden.
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Zum
Ein- und Ausschwenken der Klappe 3 wird die Welle 5,
wie sie beispielsweise in 1 und 2 dargestellt
ist, Mithilfe eines nicht dargestellten Stellelements um einen bestimmten
Winkel gedreht. Beispielsweise kann die Welle 5 mit einem
Schrittmotor gezielt um einen bestimmten Winkel gedreht werden.
Das Stellelement kann beispielsweise an einer der Stirnseiten des
Zylinderkopfes angreifen.
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Des
weiteren kann das Stellelement beispielsweise von der zur Steuerung
der Hubkolben-Brennkraftmaschine vorgesehenen Steuereinrichtung,
beispielsweise im Falle eines Kraftfahrzeugmotors vom Motorsteuergerät, in Abhängigkeit von
Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine, angesteuert werden.
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Nun
erfolgt anhand der 1 bis 5 eine kurze
Beschreibung zur Montage der Klappen 3 am Zylinderkopf 1.
Zunächst
werden die Hülsen 7 der Klappen 3 in
die Aussparungen 26 der Einlasskanäle 2 eingelegt (1),
und zwar so, dass die freien Enden 17 der Klappen 3 in
Richtung der Einlassventile 21 zeigen (4).
Nachfolgend wird die Welle 5 mit einer ihrer Stirnseiten
voran durch die Durchgangsbohrung 15 im Zylinderkopf 1 (1)
und somit auch durch die Durchgangsbohrungen 8 der Hülsen 7 geführt (3),
die in den Aussparungen 26 eingelegt sind. Die Klappen 3 sind
nun in keiner Raumrichtung mehr verschiebbar, ihr einziger verbleibender
Freiheitsgrad ist die Drehung um die Welle 5. Anschließend werden
die Hülsen 7 und
somit die Klappen 3 mit Hilfe der Schrauben 12 mit
der Welle 5 verdrehfest verschraubt. Die für die Schrauben 12 vorgesehenen
Durchgangslöcher 10 und
Gewindebohrungen 13 sind vom Eingang des Einlasskanals 2 aus
leicht zugänglich
(s. 3 in Verbindung mit 1) Die Montage
der Klappen 3 wird hierdurch erleichtert. Durch die Hülsen 7 wird
die Montage der Klappen 3 ebenfalls erleichtert.
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Abweichend
von der in den 1 bis 5 gezeigten
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes 1 ist
auch eine Ausführungsform gemäß Anspruch
10 denkbar, bei der die Klappen 3 direkt über eine
Schraubverbindung mit der Welle 5 verbunden sind. Hülsen 7 wären dann
nicht vorhanden. Die Klappen 3 könnten aus einfachen Blechteilen
gefertigt sein, die auf entsprechende Abplattungen der Welle 5 montiert
würden.
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- 1
- Zylinderkopf
- 2
- Einlasskanal
- 3
- Klappe
- 4
- Einspritzdüse
- 5
- Welle
- 6
- Erstes
Ende d. Klappe
- 7
- Hülse
- 8
- Durchgangsbohrung
d. Hülse
- 9
- Steg
- 10
- Durchgangsloch
- 11
- Senkung
- 12
- Schraube
- 13
- Gewindebohrung
- 14
- Aussparung
d. Stegs
- 15
- Durchgangsbohrung
- 17
- freies
Ende d. Klappe
- 20
- Verbrennungsraum
- 21
- Einlassventil
- 22
- Ventilführung
- 23
- Ventilsitzringe
- 25
- Wandung
d. Einlasskanals
- 26
- Aussparung
- 27
- Einlassflansch