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Einrichtung zum Kühlen der Innenwandung des Auslaßkanals einer luftverdichtenden,
ventilgesteuerten Einspritzbrennkraftmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine
Einrichtung zum Kühlen der Innenwandung des Auslaßkanals einer luftverdichtenden,
ventilgesteuerten Einspritzbrennkraftmaschine mit einem Ventilsteg zwischen Ein-
und Auslaßventil.
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In diesem Zusammenhang ist es bekannt, den Einlaßkanal über einen
oder mehrere im Ventilsteg angeordnete Kanäle mit dem Auslaßkanal zu verbinden.
Derartigen Ventilstegkanälen wurde bisher in erster Linie die Aufgabe zugeteilt,
den Ventilsteg durch die vom Einlaßkanal abgezweigte Frischluft zusätzlich zu kühlen,
und zwar gerade in dem schmalen Stegquerschnitt, der einerseits unmittelbar den
motorischen Verbrennungsgasen ausgesetzt ist und andererseits in Anbetracht konstruktionsbedingter
Gegebenheiten des Zylinderkopfes in dessen Kühlmittelkreislauf nur ungenügend mit
einbezogen werden kann. Dabei wurde die gleichzeitige Vermischung dieses Kühlluftteiles
mit den Motorabgasen während des Auslaßvorganges nicht weiter beachtet, sondern
höchstens als Begleiterscheinung betrachtet. Nunmehr steht im Vordergrund, daß die
Verbrennungskraftmaschinen heutzutage thermisch hoch belastet sind und sich demzufolge
der Auslaßkanal beträchtlich erhitzt, was infolge der damit verbundenen Spannungen
und Werkstoffverschiebungen zu Verzügen und eventuell Rissen und damit zu einem
Undichtwerden der Ventile mit einem damit verbundenen Leistungsabfall des Motors
führt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß wird bei einer Brennkraftmaschine der vorausgesetzten
Bauart vorgeschlagen, daß der Einlaßkanal in an sich bekannter Weise über einen
oder mehrere im Ventilsteg angeordnete Kanäle mit dem Auslaßkanal verbunden ist,
wobei der einlaßseitigen Kanalmündung ein Luftleitelement vorgelagert ist, das mit
seinem Öffnungsende gegen die Strömung der Einlaßluft gerichtet ist und wobei auch
der auslaßseitigen Kanalmündung ein Luftleitelement vorgelagert ist, durch das im
Verlauf des öffnens und Schließens des Einlaßventils der in den Auslaßkanal überströmende
Teil der Einlaßluft gegen die Innenwandung des Auslaßkanals gelenkt wird. Es wird
so durch einen dieser Auslaßkanalwandung vorgelagerter Art Luftschleier eine unerwünscht
hohe Aufheizung der Auslaßkanalwandung vermieden und dieser Stegkühlluft nunmehr
ein neues zusätzliches Anwendungsgebiet erschlossen.
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Was die Anordnung von Verbindungskanälen zwischen Einlaß- und Auslaßventil
anbelangt, wurde diese bereits bei einer ventilgesteuerten Brennkraftmaschine mit
innerer Gemischbildung angewendet. Hierbei wurde aber von einer gegenüber der Erfindung
andersartigen Voraussetzung ausgegangen. Und zwar wurde es als nachteilig angesehen,
wenn die Ladeluftströmung im Einlaßkanal nach Schließen des Einlaßventils ruckartig
zum Stillstand gebracht wird; sie staut sich im Einlaßkanal, bis das Einlaßventil
wieder geöffnet wird und danach die Luftsäule während des Ansaughubes des Kolbens
erneut in Bewegung gesetzt wird. Hierfür ist aber ein wesentlicher Teil des Kolbenhubes
erforderlich, der für den Füllungsgrad verlorengeht. Die hier angeordneten Verbindungskanäle
haben nun die Aufgabe, daß die vom Ansaughub des Kolbens in Bewegung gesetzte Ladeluft
bei geschlossenem Einlaßkanal in den Auslaßkanal überströmen kann und so ständig
in Bewegung bleibt. Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen, nämlich einer zielbewußten
Führung einer Kühlluftströmung entlang der Innenwandung des Auslaßkanals, kann die
bekannte Anordnung jedoch in keine Relation gesetzt werden.
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Bei einer anderen bekannten Anordnung eines vom Einlaßkanal einer
ventilgesteuerten Brennkraftmaschine abgezweigten Kanals soll durch diesen Kanal
ein Teil der Einlaßluft lediglich ins Freie abgeleitet werden, so daß hier nur von
einer Abblaseöffnung gesprochen werden kann.
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Da meistens mehrere Ventilsteg-Kühlluftkanäle angeordnet werden, wird
erfindungsgemäß vorgeschlagen, den einlaß- und auslaßseitigen Stegkanalmündangen
je
ein gemeinsames Luftführungselement vorzulagern, so daß dann auch der Luftschleier
entsprechend verbreitert wird. Eine optimale Kühlung der Auslaßkanalwandungen wird
in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht, daß das auslaßseitige
Luftführungselement in an sich bekannter Weise aus einem koaxial zum Auslaßventil
verlaufenden Ring besteht, wobei dessen den Abgasen zugewendete Fläche zusätzlich
venturiartig ausgebildet sein kann. Auf diese Art wird die Wandung des Auslaßkanals
mit einem in sich geschlossenen Luftschleier gleichmäßig beschichtet.
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In diesem Zusammenhang ist bei einer ventilgesteuerten Brennkraftmaschine
zwar die Anordnung einer gleichachsig zum Auslaßventil liegenden Ringkammer bekanntgeworden,
die durch einen ringförmigen, dicht neben dem Ventilsitz ausmündenden Schlitz mit
der Ventilkammer verbunden ist. Hierdurch soll jedoch nur der Rücken des Auslaßventils
gekühlt werden.
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Gemäß einem weiteren kennzeichnenden Merkmal der Erfindung ist die
den Abgasen zugewendete Fläche des Luftführungsringes venturiartig ausgebildet.
Dadurch kann sich der aus dem Ringkanal in den Auslaßkanal übertretende Luftschleier
besonders intensiv gegen die Wandung dieses Kanals hin ausbreiten und so teils eine
Wärmeabschirmung gegenüber den heißen Abgasen und teils ein guter Wärmeaustausch
zum Kanalwand-Luftschleier zustande kommen.
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Herstellungsmäßig vorteilhaft ist es, wenn der Luftführungsring und
der Ventilsitzring aus einem Stück bestehen.
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Sofern die Kühlluftmenge gesteigert werden soll, kann - gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung - im Auslaßkanal eine in gleicher Ebene mit dem Luftführungsringteil
verlaufende Ringhöhlung angeordnet sein.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand einiger Ausführungsbeispiele
schematisch dargestellt. Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen Zylinderkopf,
dessen Ventilsteg Kühlkanäle mit Luftführungselementen aufweist.
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F i g. 2 eine Draufsicht auf die Kühlanordnung in Richtung der Schnittlinie
A-A, F i g. 3 einen Längsschnitt durch den Zylinderkopf, dessen auslaßseitiges Luftführungselement
aus einem koaxial zum Auslaßventil verlaufenden Ring besteht.
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In der Darstellung nach F i g. 1 sind in dem am Zylinderblock 1 befestigten
Zylinderkopf 2 einer Viertakt-Einspritzbrennkraftmaschine ein Einlaßventil 3 und
ein Auslaßventil 4 angeordnet, wobei zwischen beiden Ventilen der Ventilsteg 5 liegt.
Da die Durchmesser der Ventilsitze 6, 7 sehr groß sein müssen, um ein möglichst
großes Luftvolumen vom Einlaßkanal 8 in den Arbeitszylinder 100 fördern zu können
und um andererseits ein schnelles Ausströmen der Verbrennungsgase in den Auslaßkanal
9 zu erreichen, läßt es sich in konstruktiver Hinsicht nicht umgehen, daß der Ventilsteg
5 an seinem unteren, den heißen Verbrennungsgasen unmittelbar ausgesetzten Bereich
50 sehr schmal wird. Insbesondere aus Festigkeitsgründen ist es aber nicht
möglich, den zum Kühlen des Zylinderkopfes 2 vorgesehenen Teil des Kühlmittelraumes
10 so weit in den Ventilstegbereich 50 hineinzuführen, daß der Ventilsteg
von dieser Seite her genügend gekühlt wird. Deshalb sind im Stegbereich
50 - hier drei - Kanäle 11 angeordnet, durch die der Einlaßkanal8
mit dem Auslaßkanal9 in Gasverbindung gelangt. Den beidseitigen Mündungen der Verbindungskanäle
11 sind Luftführungselemente 12 bzw. 13 (beispielsweise aus Blech) vorgelagert,
wobei der Öffnungsrand des einlaßseitigen Luftführungselements, wie dargestellt,
jeweils gegen die Luftströmung (Pfeil 16) und der COffnungsrand des auslaßseitigen
Luftführungselements jeweils in Richtung des Abgasstromes (Pfeil 17) liegen. Beim
Ansaughub des Motorkolbens 15 und damit bei geöffnetem Einlaßventil 3 strömt der
Hauptteil der Verbrennungsluft aus dem Einlaßkanal8 in den Motorzylinder
100 über, während je nach Querschnittsbemessung der Stegkanäle
11 ein mehr oder minder großer Restanteil der Luft durch die einlaßseitig
angeordneten Luftführungselemente, die, wie aus F i g. 2 hervorgeht, durch ein für
alle vorgesehenen Stegkanäle gemeinsames Luftführungselement 120
ersetzt werden
können, infolge der gegen die Luftströmung gerichteten Mündungen der Luftführungselemente
aufgefangen und in die Stegkanäle abgelenkt wird. Beim Austritt der Abzweigluft
in den Auslaßkanal 9 wird diese bevorzugt zur Wandung des Auslaßkanals hingelenkt,
wobei auch hier für alle auslaßseitigen Stegkanalöffnungen ein gemeinsames Luftführungselement
130 angeordnet werden kann, so daß ein breiter Kühlluftschleier zum Einsatz gelangt.
Diese Kühlwirkung wird insofern noch gesteigert, als an der auslaßseitigen Mündung
der Stegkanäle 11 durch das üblicherweise ruckartige Öffnen des Auslaßventils 4
und der dabei stoßartig in den Auslaßkanal9 überströmenden Abgase im Bereich 14
ein Unterdruck erzeugt wird. Dadurch steigert sich die Menge der 17bertrittsluft.
Außerdem kann hier die Kühlluft sowohl während des Lufteinlaßvorganges in den Motorzylinder,
als auch während des Abgasauslaßvorganges aus dem Motorzylinder jeweils die Wandung
des Auslaßkanals bestreichen bzw. sich teilweise mit den Abgasen im Sinne deren
Temperaturerniedrigung vermischen. Da der bzw. die Querschnitte der Stegkanäle 11
gegenüber dem Gesamtquerschnitt des Einlaßkanals 8 stets relativ klein sind, ist
der in den Auslaßkanal beim Ansaughub des Motorkolbens übertretende Luftanteil im
Verhältnis zur angesaugten Gesamtluftmenge so gering, daß dadurch die Zylinderfüllung
nur unwesentlich verringert wird.
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Bei der Längsschnittdarstellung nach F i g. 3 sind die aus den F i
g. 1 und 2 übernommenen Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Hier besteht
das auslaßseitige Luftführungselement aus einem koaxial zum Auslaßventil angeordneten
Ring 18, der bei diesem Ausführungsbeispiel zusammen mit dem Auslaßventilsitzring
19 ein Stück bildet. Außerdem ist hier die den Abgasen zugewendete Fläche des Luftführungsringes
18 venturiartig - 180 -ausgebildet, so daß der aus dem Ringkanal 20 in den Auslaßkanal9
übertretende Luftschleier sich besonders intensiv gegen die Wandung dieses Kanals
hin ausbreiten kann und so einerseits eine Wärmeabschirmung gegen die heißen Abgase
und andererseits ein guter Wärmeaustausch zum Kanalwand-Luftschleier zustande kommt.
Sofern die Kühlluftmenge gesteigert werden soll, kann im Auslaßkanal noch eine in
gleicher Ebene mit dem Luftführungsringteil 18 verlaufende Ringhöhlung 21 vorgesehen
sein.