DE19533825C1 - Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf einer Brenn­ kraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein gattungsgemäßer Zylinderkopf ist aus der DE 33 47 518 C2 be­ kannt. Der Zylinderkopf umfaßt einen Einlaßkanal, an dessen Ende, in einer entsprechenden Aufnahme, ein Ventilsitzring ein­ gepreßt ist. Dem Einlaßkanal ist ein in üblicher Weise ausgebil­ detes Einlaßventil zugeordnet. Der Einlaßkanal ist derart ausge­ bildet, daß die in den Zylinder der Brennkraftmaschine einströ­ mende Luft nur mit geringen Strömungsverlusten behaftet ist und über einen Umfangsbereich des Ventilsitzes mit höherer Geschwin­ digkeit in den Zylinder einströmt.

Aus der DE 40 29 881 C2 ist ein Ventilsitzring bekannt, der auf seiner dem Brennraum zugewandten Seite mit einem Überstand in den Brennraum hineinragt, wobei dieser Überstand hinsichtlich einer möglichen klopfenden Verbrennung als nachteilig herausge­ stellt wird. Demgemäß zeigt die Druckschrift ein Verfahren zum Einpassen von Ventilsitzringen, in dein ein Überstand des Ventil­ sitzringes und des Ventiles in den Brennraum weitestgehend ver­ mieden wird.

Zum allgemeinen technischen Hintergrund wird auf die DE 30 33 385 A1 und DE 44 22 328 A1 verwiesen.

Bei ventilgesteuerten Kolbenbrennkraftmaschinen ergibt sich im Einlaßkanal eine gewisse Drosselung des Fluidstromes, deren Aus­ maß von der Größe und Gestalt des Einlaßkanales und des Einlaß­ ventiles abhängt. Bei gattungsgemäßen Zylinderköpfen wird des­ halb durch die strömungsgünstige Ausgestaltung des Einlaßkanals das Einströmen des Fluides in den Brennraum verbessert. Ein Nachteil von derartigen Zylinderköpfen liegt allerdings darin, daß bei gewissen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine ein Rückströmen des Fluides aus dem Brennraum in den Einlaßkanal nicht wirkungsvoll verhindert werden kann.

So ist im ersten Teil der Verdichtungsphase das Einlaßventil noch geöffnet um besonders bei hohen Drehzahlen einen optimier­ ten Liefergrad zu erreichen. Der Kolben bewegt sich aber bei ge­ schlossenem Auslaßventil bereits nach oben, so daß es im unteren Drehzahlbereich zu einem ungewollten Rückströmen des Fluides vom Brennraum zurück in den Einlaßkanal kommen kann. Ein Rückströmen kann auch während der Überschneidungsphase auftreten, da das Einlaßventil bereits öffnet und das Auslaßventil noch nicht ge­ schlossen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zylinderkopf derart auszubilden, daß mit möglichst gerin­ gem Fertigungs- und Nontageaufwand bei geöffnetem Einlaßventil eine Rückströmung des Fluides in den Einlaßkanal verringert wird.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Zylinderkopfes liegt in der reduzierten Rückströmung des Fluides vom Brennraum in den Ein­ laßkanal, da der Einlaßkanalabschnitt in den Brennraum hinein­ ragt und dadurch den Druckverlust in Richtung dieser Rückströ­ mung erhöht.

Allgemein haben Fluide beim Ausströmen aus einem Behälter in ein in den Behälter ragendes Rohr deutlich höhere Druckverluste zur Folge als beim Ausströmen durch ein Rohr, das innen bündig mit der Behälterwand abschließt oder einen strömungsgünstigen Ein­ lauf bildet. Für den Druckverlust Δp_v gilt folgende Gleichung (Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 17. Ausgabe, S. B 51):

Δp_v = ξρv²/2 (ρ = Dichte, v = Strömungsgeschwindigkeit).

Je nach Ausbildung der Rohreinläufe nimmt der Verlustbeiwert Ξ unterschiedliche Werte an. Bei einem Rohr, das mit der Behälter­ innenseite bündig ist und einen strömungsgünstig konvergierenden Einlauf aufweist, beträgt der Verlustbeiwert ξ je nach Wandrau­ higkeit 0,01-0,05. Schließt ein Rohr innen bündig mit geraden Enden an einen Behälter an beträgt der Verlustbeiwert bei scharfkantiger Ausführung 0,5 und bei gebrochener Ausführung 0,25. Der Verlustbeiwert ξ bei Rohrenden, die in einen Behälter hineinragen, liegt wesentlich höher. Bei scharfkantiger Ausfüh­ rung beträgt er 3,0 und bei gebrochener Ausführung 0,6-1,0.

Der Einlaßkanalabschnitt nebst Stirnseite und Austrittsöffnung ist derart gestaltet, daß beim Einströmen des Fluides in den Brennraum bei geöffnetem Ventil die strömungsgünstige Form des Einlaßkanalabschnitts nebst Austrittsöffnung kaum Druckverluste erzeugt. Beim Ausströmen aus dem Brennraum in den Einlaßkanal wirkt der in den Brennraum hineinragende Einlaßkanalabschnitt wie ein in einen Behälter hineinragendes Rohrende, so daß das Fluid, durch den erhöhten Druckverlust bei der Strömung vom Brennraum zum Einlaßkanal hin, beim Rückströmen behindert wird.

Durch die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 wird eine weitere Verringerung der Rückströmung des Fluides vom Brennraum in den Einlaßkanal erreicht. Die scharfkantige Ausbildung der in den Brennraum hineinragenden Stirnseite des Einlaßkanalab­ schnitts bewirkt eine weitere Erhöhung des Druckverlustes in Rückströmrichtung.

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung nach Anspruch 3 ist von Vorteil, daß der Ventilsitzring eine fertigungstechnisch einfa­ che Änderung der Austrittsöffnung im Einlaßkanalabschnitt ermög­ licht.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung hervor.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit wei­ teren Einzelheiten näher erläutert. Die Zeichnung zeigt einen senkrechten Schnitt durch einen Zylinderkopf 1 einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine im Bereich eines Einlaßkanals 2 mit einem ringförmigen Einlaßkanalabschnitt 3, der in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Ventilsitzring 4 gebildet ist.

Dem Einlaßkanal 2 ist das in üblicher Weise ausgebildete Ventil 5 zugeordnet, das in der Zeichnung im geöffneten Zustand darge­ stellt ist. Im geschlossenen Zustand legt sich das Ventil 5 mit der Rückseite seines Ventiltellers 6 dichtend gegen eine Sitz­ fläche des Ventilsitzringes 4, der in einer entsprechenden Auf­ nahme 7 am Ende des Einlaßkanals 2 eingepreßt ist. In der Öff­ nungsstellung ist durch das Einlaßventil 5 ein ringförmiger Durchlaßspalt 8 freigegeben, durch den ein Fluid aus dem Einlaß­ kanal 2 in Richtung des Brennraumes 9 einströmen kann. Das Fluid kann sowohl aus Luft als auch aus einem Luft-Kraftstoffgemisch bestehen.

Der Ventilsitzring 4 ragt in den Brennraum 9 hinein, wobei die brennraumseitige Stirnseite 10 zu einer oberen Kontur 13 des Brennraumes 9 beabstandet ist und eine scharfkantige Form be­ sitzt, so daß bei geöffnetem Ventil 5 eine Rückströmung des Fluides vom Brennraum 9 in den Einlaßkanal 2 durch einen gegen­ über der Einströmrichtung erhöhten Druckverlust verringert wird. In der Zeichnung ist die Einströmrichtung durch einen durchgezo­ genen und die Rückströmrichtung durch einen punktierten Pfeil gekennzeichnet. In einer bevorzugten baulichen Ausgestaltung ragt der Ventilsitzring 4 in etwa 2-3 mm in den Brennraum 9 hi­ nein, kann jedoch auch noch wesentlich weiter in den Brennraum ragen. Das genaue Maß ist mit den übrigen Auslegungsparametern der Brennkraftmaschine abzustimmen. Die scharfkantige Form des Ventilsitzringes 4 wird im Ausführungsbeispiel durch einen in etwa trapezförmigen Querschnitt erreicht. Bei der erfindungsge­ mäßen Ausgestaltung des Ventilsitzringes 4 liegt der engste Strömungsquerschnitt 11 auf der Einlaßkanalseite, während der breiteste Strömungsquerschnitt 12 auf der Brennraumseite liegt.

Um bei hochverdichtenden Brennkraftmaschinen eine Kollision zwi­ schen Ventilen und Kolben sicher zu vermeiden, ist es bekannt, den Kolben mit Ventiltaschen zu versehen. Im Rahmen dieser Er­ findung können deshalb weitere Ausnehmungen im Kolbenboden für die in den Brennraum überstehenden Ventilsitzringe vorgesehen werden um eine Kollision zwischen den überstehenden Ventilsitz­ ringen und den Kolben zu vermeiden.

Als weitere Ausgestaltung der Erfindung ist es denkbar, die Kon­ tur des in den Brennraum ragenden Ventilsitzringes zu variieren. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Einlaßöffnung kann auch bei ventilsitzringlosen Einlaßkanälen vorgesehen sein, wobei der in den Brennraum überstehende Einlaßkanalabschnitt direkt am Zy­ linderkopf angeformt ist.

Claims (3)

1. Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, der zumindest einen Einlaßkanal mit einem Einlaßkanalabschnitt nebst Austrittsöff­ nung für ein in einen Brennraum strömendes Fluid umfaßt, wobei die Austrittsöffnung durch ein Ventil verschließbar ist, und wo­ bei der Einlaßkanalabschnitt eine brennraumseitige Stirnseite aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßkanalabschnitt (3) in den Brennraum (9) hinein­ ragt, wobei die brennraumseitige Stirnseite (10) zu einer oberen Kontur (13) des Brennraumes (9) derart beabstandet und geformt ist, daß bei geöffnetem Ventil (5) eine Rückströmung des Fluides vom Brennraum (9) in den Einlaßkanal (2) durch einen gegenüber der Einströmrichtung erhöhten Druckverlust in Rückströmrichtung verringert wird.

2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Brennraum (9) hineinragende Stirnseite (10) des Einlaßkanalabschnittes (3) eine scharfkantige Form besitzt.

3. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßkanalabschnitt (3) durch einen Ventilsitzring (4) gebildet ist.