DE1291945B

DE1291945B - Einlasskanal fuer Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmaschinen

Info

Publication number: DE1291945B
Application number: DEM60790A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Hans-Jochen; Heinrich
Original assignee: Motoren Werke Mannheim AG
Current assignee: Caterpillar Energy Solutions GmbH
Priority date: 1964-04-25
Filing date: 1964-04-25
Publication date: 1969-04-03
Also published as: US3335707A; ES311624A1; AT255216B; SE308636B; NL6505210A; DK113543B; BE662486A; NL150196B; CH434872A; GB1089121A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Einlaßkanal für Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmaschinen, mit unmittelbarer Brennstoffeinspritzung und Drehbewegung der Verbrennungsluft im Zylinder, der von einer in einer Seitenwand des Zylinderkopfes liegenden Eintrittsöffnung zu einem außermittig im Zylinderboden liegenden Ventilsitz führt und bei dem ein von der Zylinderachse senkrecht zu einer die Ventilachsen von Einlaßventil und Auslaßventil verbindenden Linie zu der Seitenwand, von der der Einlaßkanal ausgeht, hin führender erster Radius und ein von der Zylinderachse zur Einlaßventilachse führender zweiter Radius einen Winkel von 45 bis 90° einschließen. Die vorstehend angegebene Lage der Ventile stellt die bei zweiventiligen Maschinen durchweg anzutreffende, normale Anordnung dar.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Erzeugung einer Drehbewegung der Verbrennungsluft im Zylinder, die eine im Hinblick auf mittleren effektiven Druck, Brennstoffverbrauch, Abgastrübung und Druckanstiegsgeschwindigkeit vorteilhafte Gemischbildung ergibt.

Eine derartige Drehbewegung muß die nachstehend mit 1, 2 und 3 bezeichneten Eigenschaften haben.

1. Gegen Ende des Verdichtungshubes soll die ^a5 Verbrennungsluft während der Einspritzdauer etwa den Sektor zwischen den einzelnen Brennstoffstrahlen aus einer annähernd zentral angeordneten Mehrloch-Einspritzdüse bestreichen.

Um eine derartige Luftdrehung um die Zylinderachse zu erzeugen, muß die in den Zylinder eintretende Luft möglichst,weit außen in der Nähe des Zylinderumfanges einströmen. Der dadurch während des Einlaßhubes angefachte Wirbel bleibt während des Verdichtungshubes erhalten und wird gegen Ende desselben durch Verdrängen des Zylindermhalts in eine Kolbenmulde von der Form eines Drehkörpers mit einem Durchmesser, der kleiner als der Zylinderdurchmesser ist, in seiner Drehgeschwindigkeit gesteigert. Zur Erfüllung der Bedingung 1 ist nur eine sogenannte Blockdrallströmung geeignet, bei der die Geschwindigkeit der einzelnen Luftteilchen dem Radius ihrer Kreisbahn proportional ist, d. h., die Luft soll in der Kolbenmulde ähnlich wie ein fester Körper rotieren. Zur Erzeugung einer solchen Luftbewegung muß die Richtung des anfachenden, aus dem Einlaßkanal in den Zylinder eintretenden Luftstromes mehr nach außen gegen die Zylinderwand zielen, d. h. nicht genau tangential verlaufen.

2. Der aus dem Ventilsitz austretenden Luft soll eine Drehbewegung um die Ventilachse erteilt werden.

Dieser sekundäre, um die Einlaßventilachse ver- _sg laufende Wirbel unterstützt, wenn er die richtige Stärke hat, offensichtlich das Zustandekommen einer Blockdrallströmung um die Zylinderachse. Die Erfahrung hat außerdem gezeigt, daß drallerzeugende Einlaßkanäle, die eine Luftdrehung um die Ventil- g₀ achse bewirken, weniger empfindlich gegen Ungenauigkeiten in der Herstellung des meist gegossenen Kanals sind als Drallkanäle, die keine Luftdrehung um die Ventilachse hervorrufen.

3. Die Erzeugung der Drehbewegung im Zylinder muß möglichst verlustfrei, d. h. ohne erhebliche Verschlechterung der Zylinderfüllung beim Einlaßhub erfolgen.

Damit der aus dem Einlaßkanal in den Zylinder eintretende Luftstrom eine zur Anfachung einer Luftdrehung im Zylinder ausreichende hohe Geschwindigkeit aufweist, muß ein drallerzeugender Kanal kurz vor der Ventilkammer eine Verengung aufweisen, deren Querschnitt häufig nur etwa halb so groß ist wie der Durchtrittsquerschnitt am Ventilspalt bei voll geöffnetem Ventil. Eine derartige Verengung vergrößert den Widerstand, den die Luft beim Einströmen in den Zylinder erfährt, wodurch die Zylinderfüllung beeinträchtigt und die Erzielung eines hohen Wertes des mittleren effektiven Druckes in Frage gestellt wird. Die unter 3 genannte Eigenschaft verlangt daher eine möglichst geringe Verengung im Einlaßkanal.

Die im Absatz 2 genannten Aufgaben und im besonderen die Aufgabe der Verwirklichung der Eigenschaften 1,2 und 3 werden erfindungsgemäß an einem Einlaßkanal der im Absatz 1 beschriebenen Art durch die folgenden, zum Teil an sich bekannten Merkmale a, b und c gelöst.

a) Der äußere Umriß der Ventilkammer folgt, in Richtung der Einlaßventilachse gesehen, etwa dem Innendurchmesser des Ventilsitzes, wobei die obere Wand der Ventilkammer, von der der Zylinderachse abgewandten Außenseite zu der der Zylinderachse zugewandten Innenseite führend, in Richtung auf den Ventilsitz hin schraubenförmig abfallend ausgeführt ist.

Dieses Merkmal versetzt den erfindungsgemäßen Einlaßkanal in die Lage, eine Luftdrehung um die Einlaßventilachse zu erzeugen, wobei das Untermerkmal, daß der Umriß der Ventilkammer etwa dem Innendurchmesser des Ventilsitzes folgt, d. h. diesen nicht oder in der Nähe des Zylinderumfanges nur unwesentlich überragt, verhindert, daß der Wirbel um die Einlaßventilachse so stark wird, daß er den Wirbel um die Zylinderachse stört. Diese relativ schwache Luftdrehung um die Einlaßventilachse hat außer dem bereits erwähnten Vorteil, den Einlaßkanal gegen Kernverlagerung relativ unempfindlich zu machen, auch noch eine Verbesserung der Durchflußbeiwerte im Ventilspalt und damit eine Verbesserung der Zylinderfüllung zur Folge.

Es wurde zwar schon in dem deutschen Gebrauchsmuster 1784007 vorgeschlagen, die Ventilkammer eines Einlaßkanals entsprechend dem Merkmal a) auszubilden, doch wird diese bekannte Gestaltung dort zusammen mit anderen Lage- und Gestaltmerkmalen des gesamten Kanalverlaufes angewandt, was nicht die für die Zwecke der Erfindung angestrebte schwache, sondern eine hierfür ungeeignete intensive Luftdrehung um die Ventilachse zur Folge haben würde.

b) Die Skelettlinie des Grundrisses des in Strömungsrichtung der eintretenden Luft kurz vor der Ventilkammer liegenden Kanalstückes verläuft von einem dem ersten Radius benachbarten Wendepunkt nach außen zum Zylinderumfang hin gewandt außerhalb der Einlaßventilachse, und zwar dieser näher als der Außenseite.

Dieser Verlauf der Skelettlinie, d. h. ihre auf eine zwischen Einlaßventilachse und Außenseite befindliche, der Einlaßventilachse näher liegende Stelle zielende Richtung, ergibt die im Zusammenhang mit der unter 1 genannten Eigenschaft erwähnte erforder-

liehe Lage nahe dem Zylinderumfang des aus dem Einlaßkanal in den Zylinder eintretenden Luftstromes. Das Untermerkmal, das darin besteht, daß die Stelle, auf welche die Skelettlinie zielt, der Einlaßventilachse näher liegt als der Außenseite, wirkt im gleichen Sinn wie Merkmal a), d. h. im Sinne einer Beschränkung der Intensität des Luftwirbels um die Ventilachse.

Bei dem schon erwähnten Vorschlag gemäß dem deutschen Gebrauchsmuster 1784 007 zielt die Skelettlinie des kurz vor der Ventilkammer liegenden Kanalstückes auf eine Stelle, die der Außenseite näher liegt als der Einlaßventilachse, und daher würde der bekannte Einlaßkanal auch aus diesem Grund eine für die erfindungsgemäßen Zwecke viel zu heftige Luftdrehung um die Ventilachse ergeben.

In der britischen Patentschrift 698 495 ist eine Einlaßkanalgestaltung beschrieben, die zu einem Einlaßventil gehört, das so wie im Absatz 1 angegeben angeordnet ist. Die Skelettlinie des vor der Ventilkammer liegenden Kanalstückes ist bei dem bekannten Einlaßkanal nicht zum Zylinderumfang hin, sondern zum Zylinderinneren gewandt dargestellt und zielt auf die Ventilachse. Diese Lage hat zur Folge, daß die in den Zylinder eintretende Luft relativ weit innen einströmt und daher zur Anfachung eines gegebenen Wirbels eine relativ hohe Geschwindigkeit im engsten Teil des Kanales (s. Erläuterungen zu Eigenschaft 3) benötigt. Demgemäß beträgt bei dem bekannten Kanal der engste Querschnitt schätzungsweise nur 60 v. H. des freien Sitzquerschnittes, und zusätzlich ist noch eine Lippe an der Zuströmseite des Ventilsitzes vorhanden, die eine drallverstärkende Richtwirkung, gleichzeitig aber auch eine den Durchflußwiderstand erhöhende Wirbelbildung verursacht, was sich alles ungünstig auf die Zylinderfüllung auswirkt. Der erfindungsgemäße Einlaßkanal kann demgegenüber mit einem engsten Querschnitt von 90 v. H. des freien Sitzquerschnittes sowie ohne Lippe auskommen, was eine im wesentlichen ungedrosselte Einströmung und demzufolge eine gute Zylinderfüllung bewirkt.

Schließlich kann der Kanal gemäß der britischen Patentschrift 698 495 wegen seiner zur Ventilachse symmetrischen Gestalt keine Luftdrehung um die Ventilachse hervorrufen, so daß ihm die dieser Eigenschaft eigenen Vorteile fehlen.

c) Ein senkrecht zur Skelettlinie durch das an die Ventilkammer angrenzende Kanalstück kurz vor dessen Einmündung in die Ventilkammer gelegter Schnitt hat angenähert die Form eines rechtwinkligen Dreiecks mit abgerundeten Ecken, dessen rechter Winkel in der Nähe des Ventilsitzes an der der Zylinderachse abgewandten Außenseite liegt.

Dieses Merkmal bewirkt, daß die Hauptmenge der einströmenden Luft entsprechend der Lage des Flächenschwerpunktes des betreffenden Querschnittes außen am Ventilschaft vorbeiströmt und die Anfachung des Drehwirbels um die Zylinderachse in der wirksamsten Art, d. h. außen an der im Zylinder befindlichen Luftmasse angreifend, bewerkstelligt. Das Merkmal c) wirkt demnach im gleichen Sinne wie das Merkmal b), d. h., die beiden Merkmale unterstützen und ergänzen einander.

In der britischen Patentschrift 904 573 ist ein aus zwei streckenweise übereinander angeordneten Teil-

55 kanälen bestehender Einlaßkanal dargestellt, bei dem der obere Teilkanal einen Querschnitt hat, der einem Parallelogramm mit abgerundeten Ecken ähnelt. Dieser Querschnitt kann, da er weitgehend symmetrisch ist, weder eine Verlagerung des Flächenschwerpunktes nach außen bewirken, noch entsprechende Auswirkungen auf die Strömung durch den Spalt des anschließenden Ventils haben, da er viel zu weit von der Ventilkammer entfernt ist und da ein ihm nachgeschalteter Querschnitt einen eher nach innen verlagerten Flächenschwerpunkt aufweist.

Die Wirkung der Merkmale a), b) und c) wird zweckmäßig dadurch unterstützt, daß der Grundriß des Kanalstückes, senkrecht zur Skelettlinie gemessen, eine solche Breite hat, daß seine dem Zylindermittelpunkt zugewandte Seite in die Ventilkammer an einer Stelle mit kleinerem Radius des Ventilkammerumrisses einmündet, d. h. dort, wo der Radius des Ventilkammerumrisses unter seinem Größtwert liegt.

Die Unterbringung der in die Ventilkammer ragenden Ventilführung wird zweckmäßig dadurch erleichtert, daß die Ubergangslinie zwischen dem Kanalstück und der Ventilkammer von der der Zylinderachse zugewandten Seite der Verschneidungslinie zwischen der Bohrung für die Ventilführung und der oberen Wand der Ventilkammer und von einem Punkt ausgeht und etwa schraubenförmig in einen in der Nähe des Ventilsitzes an der Zuströmseite der Ventilkammer gelegenen Bereich ausläuft.

Die Wirkungen der Merkmale b) und c) werden vorteilhaft dadurch unterstützt, daß die Außenseite des an die Ventilkammer angrenzenden Kanalstückes in an sich bekannter Weise glatt in die Außenwand der Ventilkammer übergeht und innerhalb des in den Zylinderkopf fortgesetzt gedachten Zylinderumfanges verläuft.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes in mehreren Schnitten und Ansichten dargestellt.

F i g. 1 stellt einen Längsschnitt durch den Einlaßkanal entlang der Linie I-I in Fi g. 2 dar;

Fig. 2 stellt einen Längsschnitt entlang der Linie H-II in F i g. 1 dar;

F i g. 3 zeigt einen Querschnitt durch den Einlaßkanal entlang der LinieIH-III in Fig. 1;

Fig.4, 5, 6 und 7 stellen Kanalquerschnitte dar, deren Lage in Fi g. 1, 2, 8 und 10 mit den Linien IV, V, VI und VII angegeben ist;

Fig. 8, 9, 10 und 11 stellen Außenansichten der unendlich dünn gedachten Kanalinnenwände, jeweils in Richtung der Pfeile VIII, JX, X und XI gesehen, dar.

Der Einlaßkanal führt von der Seitenwand 1 des Zylinderkopfes zu einem außermittig im Zylinderboden 2 liegenden Ventilsitz 3 des Einlaßventils 5. Die Einlaßventilachse 4 liegt parallel zur Zylinderachse 6. Ein von der Zylinderachse 6 zur Einlaßventilachse 4 führender Radius 7 bildet mit einem senkrecht zur Verbindungslinie 8 von der Zylinderachse 6 zur Seitenwand 1 hin führenden Radius 9 einen Winkel α von 77°. Dieser Winkel α kann in einem Bereich von 45 bis 90° liegen. Die Verbindungslinie 8 verbindet die Einlaßventilachse 4 und die Auslaßventilachse 10. Wie aus F i g. 2 und 3 ersichtlich, ist der äußere Umriß 11 der Ventilkammer 12 nur unwesentlich größer als der Innendurchmesser des Ventilsitzes 3. Die obere Wand 13 der Ventilkammer 12 ist von der Außenseite 14 zu der Innenseite 15 hinfüh-

rend in Richtung auf den Ventilsitz 3 hin schraubenförmig abfallend ausgebildet. Die Skelettlinie 16 des Grundrisses des in Strömungsrichtung ΧΠ der eintretenden Luft kurz vor der Ventilkammer 12 liegenden Kanalstückes 17 verläuft von einem dem Radius 9 benachbarten Wendepunkt 18 nach außen zum Zylinderumfang 19 hin gewandt außerhalb der Einlaßventilachse 4. Das Kanalstück 17 liegt zwischen den Linien VI-VI und VII-VII. Ein senkrecht zur Skelettlinie 16 durch das Kanalstück 17 kurz vor dessen Einmündung in die Ventilkammer 12 gelegter Schnitt VII, der in Fig. 7 dargestellt ist, hat angenähert die Form eines rechtwinkligen Dreiecks mit abgerundeten Ecken, dessen rechter Winkel β in der Nähe des Ventilsitzes 3 an der Außenseite 14 liegt. Der Grundriß des Kanalstückes 17 hat, senkrecht zur Skelettlinie 16 gemessen, eine solche Breite, daß seine der Zylinderachse 6 zugewandte Seite 20 die Ventilkammer 12 in einer zwischen Einlaßventilachse 4 und Innenseite 15 des Umrisses 11 der Ventilkammer 12 liegenden Übergangslinie 21 anschneidet. Die Übergangslinie 21 geht von der der Zylinderachse 6 zugewandten Seite der Verschneidungslinie 22 aus, die von der Bohrung 23 für die Ventilführung 24 und der oberen Wand 13 der Ventilkammer 12 gebildet wird, und verläuft vom Punkt 25 ausgehend etwa schraubenförmig in einen in der Nähe des Ventilsitzes 3 an der Zuströmseite 26 der Ventilkammer 12 gelegenen Bereich aus, wie dies in Fi g. 11 gezeigt ist. Die Außenseite 27 des Kanalstückes 17 geht glatt in die Außenseite 14 der Ventilkammer 12 über und liegt innerhalb des in den Zylinderkopf fortgesetzt gedachten Zylinderumfanges 19. Der hier beschriebene Einlaßkanal wirkt mit einer konzentrisch zur Zylinderachse 6 oder leicht gegenüber dieser Zylinderachse 6 versetzten, rotationskörperförmigen, im Kolben 28 liegenden Brennraummulde 29 zusammen, in die mehrere, vorzugsweise vier, leicht schräg abwärts gerichtete Brennstoffstrahlen 30 zielen, die von einer konzentrisch oder leicht exzentrisch zur Brennraummulde 29 bzw. Zylinderachse 6 im Zylinderboden 2 angeordneten Einspritzdüse 31 ausgehen und auf die Seitenwände der Brennraummulde 29 auftreffen. Der Durchmesser der Brennraummulde 29 ist wesentlich kleiner als der Zylinderdurchmesser. Vorzugsweise beträgt der Durchmesser der Brennraummulde 29 ungefähr die Hälfte des Zylinderdurchmessers. Der Kolben 28 tritt im oberen Totpunkt dicht an den Zylinderboden 2 heran.

Unter der Skelettlinie im vorstehenden Zusammenhang ist der geometrische Ort der Mittelpunkte aller in den Einlaßkanal einbeschriebenen Kreise zu verstehen, die in senkrecht zur Zylinderachse 6 verlaufenden Ebenen liegen, die durch den Einlaßkanal jeweils an seiner breitesten Stelle gelegt sind.

Claims

Patentansprüche:

1. Einlaßkanal für Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmaschinen, mit unmittelbarer Brennstoffeinspritzung und Drehbewegung der Verbrennungsluft im Zylinder, der von einer in einer Seitenwand des Zyünderköpfes liegenden Eintrittsöffnung zu einem außermittig im Zylinderboden liegenden Ventilsitz führt und bei dem ein von der Zylinderachse senkrecht zu einer die Ventilachsen von Einlaßventil und Auslaßventil verbindenden Linie zu der Seitenwand, von der der Einlaßkanal ausgeht, hin führender erster Radius und ein von der Zylinderachse zur Einlaßventilachse führender zweiter Radius einen Winkel von 45 bis 90° einschließen, gekennzeichnet durch folgende, zum Teil an sich bekannte Merkmale:

a) Der äußere Umriß (11) der Ventilkammer

(12) folgt, in Richtung der Einlaßventilachse (4) gesehen, etwa dem Innendurchmesser des Ventilsitzes (3), wobei die obere Wand

(13) der Ventilkammer (12), von der der Zylinderachse (6) abgewandten Außenseite

(14) zu der der Zylinderachse (6) zugewandten Innenseite (15) führend, in Richtung auf den Ventilsitz (3) hin schraubenförmig abfallend ausgebildet ist.

b) Die Skelettlinie (16) des Grundrisses des in Strömungsrichtung (XII) der eintretenden Luft kurz vor der Ventilkammer (12) liegenden Kanalstückes (17) verläuft von einem dem ersten Radius (9) benachbarten Wendepunkt (18) nach außen zum Zylinderumfang (19) hin gewandt außerhalb der Einlaßventilachse (4), und zwar dieser näher als der Außenseite (14).

c) Ein senkrecht zur Skelettlinie (16) durch das an die Ventilkammer (12) angrenzende Kanalstück (17) kurz vor dessen Einmündung in die Ventilkammer (12) gelegter Schnitt (F i g. 7) hat angenähert die Form eines rechtwinkligen Dreiecks mit abgerundeten Ecken, dessen rechter Winkel in der Nähe des Ventilsitzes (3) an der der Zylinderachse (6) abgewandten Außenseite (14) liegt.

2. Einlaßkanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundriß des Kanalstückes (17), senkrecht zur Skelettlinie (16) gemessen, eine solche Breite hat, daß seine der Zylinderachse (6) zugewandte Seite (20) in die Ventilkammer (12) an einer Stelle mit kleinerem Radius des Umrisses (11) der Ventilkammer (12) einmündet.

3. Einlaßkanal nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangslinie (21) zwischen dem Kanalstück (17) und der Ventilkammer (12) von der der Zylinderachse (6) zugewandten Seite der Verschneidungslinie (22) zwischen der Bohrung (23) für die Ventilführung (24) und der oberen Wand (13) der Ventilkammer (12) und von einem Punkt (25) ausgeht und etwa schraubenförmig in einen in der Nähe des Ventilsitzes (3) an der Zuströmseite (26) der Ventilkammer (12) gelegenen Bereich ausläuft.

4. Einlaßkanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenseite (27) des an die Ventilkammer (12) angrenzenden Kanalstückes (17) in an sich bekannter Weise glatt in die Außenseite (14) der Ventilkammer (12) übergeht und innerhalb des in den Zylinderkopf fortgesetzt gedachten Zylinderumfanges (19) verläuft.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen