DE19740962B4

DE19740962B4 - Schraubenförmiger Einlasskanal

Info

Publication number: DE19740962B4
Application number: DE19740962A
Authority: DE
Inventors: Junichi Yokosuka Kawashima
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1996-09-17
Filing date: 1997-09-17
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2017-09-18
Also published as: JP3562165B2; JPH1089078A; DE19740962A1; US5884598A

Abstract

Schraubenförmiger Einlaßkanal, durch welchen Luft in einen Brennraum (1A) eines Dieselmotors fließt, mit einem zylindrischen Teil (3), welcher eine Öffnung am oberen Ende des Brennraums (1A) aufweist, einem gewundenen Teil (4), welcher spiralförmig gebogen ist, und einem geraden Teil (2), welcher mit dem stromaufwärtigen Ende des gewundenen Teils (4) verbunden ist, um Luft dem gewundenen Teil (4) als linearen Strom zuzuführen, dadurch gekennzeichnet, daß das gewundene Teil (4) an das zylindrische Teil (3) über eine Verbindungsleitung (5) angeschlossen ist, die im oberen Ende des zylindrischen Teils (3) vorgesehen ist, wobei eine Höhe (H) von der Öffnung zu der Verbindungsleitung (5) durch folgende Gleichung bestimmt ist: H = Rt·α·tanθ,wobei
Rt der Radius des zylindrischen Teils (3) ist,
α der Winkel ist, welcher von der Flußraten-Schwerpunktsposition und der optimalen Hineinflußposition der Verbindungsleitung (5) im Zentrum (Os) des zylindrischen Teils (3) aufgespannt wird, und
θ der Absenkwinkel der angesaugten Luft...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen schraubenförmigen Einlaßkanal gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger schraubenförmiger Einlaßkanal mit einem zylindrischen Teil, einem spiralförmig gewundenen Teil und einem geraden Teil ist aus der US 4,519,346 bekannt, wobei eine Höhe des zylindrischen Bereiches ins Verhältnis lediglich zu dessen Durchmesser gesetzt ist.

Bei einem Dieselmotor mit Direkteinspritzung, bei welchem Kraftstoff direkt in einen Zylinder eingespritzt wird, ist es erforderlich, die Mischung des eingespritzten Kraftstoffs und der angesaugten Luft zu unterstützen, um die Brennfähigkeit des Kraftstoffs zu verbessern. Zur Erfüllung dieser Anforderung kann beispielsweise ein schraubenförmiger Einlaßkanal verwendet werden, so daß die angesaugte Luft einen Wirbel im Inneren des Zylinders bildet.

Dieser schraubenförmige Einlaßkanal weist ein gerades Teil auf, ein zylindrisches Teil, welches sich zu einer Brennkammer hin öffnet, und ein gewundenes Teil, welches zu einer Spirale gebogen ist, die das zylindrische Teil und das gerade Teil verbindet.

Dieser schraubenförmige Kanal ist beispielsweise in JP 59-012123 beschrieben. Bei diesem Stand der Technik wird der Wirbel verstärkt und der Volumenwirkungsgrad dadurch verbessert, daß die Flächenform (Form in der Ebene) des gewundenen Teils geändert wurde.

Selbst wenn jedoch die Flächenform des gewundenen Teils auf geeignete Art und Weise gewählt wurde, ist die Intensität des in dem Zylinder erzeugten Wirbels unterschiedlich, abhängig von der Höhe des gewundenen Teils, und war es nicht unbedingt möglich, die beiden Ziele der Verstärkung des Wirbels und der Verbesserung des Volumenwirkungsgrades zu erreichen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die geometrische Ausgestaltung eines schraubenförmigen Einlaßkanals eines Dieselmotors der vorgenannten Art im Hinblick auf eine Wirbelverstärkung zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen schraubenförmigen Einlaßkanal mit den Merkmalen des Anspruches 1. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Vorteil des vorliegenden schraubenförmigen Einlaßkanals besteht daher in der exakten Festlegung der Form des schraubenförmigen Kanals, welche sowohl im Hinblick auf die Wirbelverstärkung als auch auf die Verbesserung des Volumenwirkungsgrades vorteilhaft ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:

1A und 1B eine Draufsicht auf einen schraubenförmigen Einlaßkanal und eine Querschnittsansicht eines Verbindungsteils,

2 eine Vertikalschnittansicht des schraubenförmigen Einlaßkanals,

3 eine Aufsicht auf den schraubenförmigen Einlaßkanal, wobei das Aussehen eines Wirbels gezeigt ist, der von dem schraubenförmigen Einlaßkanal erzeugt wird,

4 eine Perspektivansicht des Wirbels, der von dem schraubenförmigen Einlaßkanal erzeugt wird;

5 eine Vertikalschnittansicht des schraubenförmigen Einlaßkanals,

6 ein Diagramm mit einer Darstellung der Beziehung zwischen der Position einer Verbindungsleitung und der Flußrate von Luft, welche in das zylindrische Teil gelangt,

7 ein Diagramm mit einer Darstellung der Beziehung zwischen der Vertikallänge des zylindrischen Teils und einem Wirbelverhältnis, und

8 eine schematische Aufsicht auf den schraubenförmigen Einlaßkanal, mit einer Darstellung der Auswirkung der Vertikallänge des zylindrischen Teils auf die Ausbildung des Wirbels.

In 1 der Zeichnungen saugt ein Zylinder 1 eines Dieselmotors Luft über einen schraubenförmigen Einlaßkanal 10 an.
Ein gerichteter Einlaßkanal und zwei Auslaßleitungen (nicht gezeigt) sind zu dem schraubenförmigen Einlaßkanal 10 in dem Zylinder 1 ausgerichtet.
Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung, die nicht gezeigt ist, liegt dem mittleren Teil des Zylinders 1 gegenüber. In dem Zylinder 1 mischt sich durch die Kraftstoffeinspritzvorrichtung eingespritzter Kraftstoff mit Luft, die von dem schraubenförmigen Einlaßkanal 10 angesaugt wird, und von dem gerichteten Einlaßkanal, und wird durch einen in dem Zylinder 1 gleitenden Kolben komprimiert. Der Kraftstoff, der in die komprimierte Luft eingespritzt wird, wird dann durch Kompressionszündung verbrannt.
Der schraubenförmige Einlaßkanal 10 und der gerichtete Einlaßkanal öffnen sich beide rechts von einer vertikalen Zentrumslinie in der Figur. Der schraubenförmige Einlaßkanal 10 hängt über den gerichteten Einlaßkanal, so daß der schraubenförmige Einlaßkanal 10 länger als der gerichtete Einlaßkanal ist.
Der schraubenförmige Einlaßkanal 10 weist ein gerades Teil 2, ein gewundenes Teil 4 und ein zylindrisches Teil 3 auf.
Das stromaufwärtige Ende des geraden Teils 2 öffnet sich zur einen Seite eines Zylinderkopfes des Motors hin, wobei die Querschnittsfläche des geraden Teils 2 von stromaufwärts nach stromabwärts immer mehr abnimmt.
Das gewundene Teil 4 ist in der Ebene spiralförmig, und windet sich von dem geraden Teil 2 zu dem zylindrischen Teil 3 so, daß in dem Zylinder ein Wirbel in der Horizontalrichtung erzeugt wird.
Wie in 2 gezeigt ist, ist das zylindrische Teil 3 eine im wesentlichen zylindrische Öffnung parallel zum Zylinder 1 in einem Zylinderkopf 20, und ist durch ein Dach 31 und eine Querwand 32 unterteilt. Eine Verbindungsleitung 5, welche das zylindrische Teil 3 und das gewundene Teil 4 verbindet, ist in dem Dach 31 vorgesehen. Die Verbindungsleitung 5 ist in einer Höhe H von dem Dach 11 einer Brennkammer 1A in dem Zylinder 1 vorgesehen, wie in 2 gezeigt ist. Dies ist gleich der Entfernung zwischen dem Dach 31 des zylindrischen Teils 3 und dem Dach 11 der Brennkammer 1A, also gleich der Vertikallänge des zylindrischen Teils 3.
Die Verbindungsleitung 5 ist in der Ebene halbmondförmig, und eines ihrer Enden fällt mit einem Punkt 6 zusammen, der in 1A gezeigt ist, an welchem sich das gewundene Teil 4 und das zylindrische Teil 3 in Vertikalrichtung zu überlappen beginnen. Die beiden Enden der Verbindungsleitung 5 spannen einen Winkel γ im Zentrum Os des zylindrischen Teils 3 auf, wie in 1A gezeigt ist.
Ein (nicht dargestelltes) Einlaßventil ist in dem zylindrischen Teil 3 so vorgesehen, daß es koaxial zu der in 2 gezeigten Zentrumslinie Os verläuft.
Nunmehr wird das Verfahren zur Einstellung der Höhe H der Verbindungsleitung 5 beschrieben.
Zuerst wird mit γ die Winkelbreite der Verbindungsleitung 5 zentriert auf der Zentrumslinie Os in einer Ebene bezeichnet. Daraufhin wird ein Winkel C·γ festgesetzt, der durch Multiplikation des Winkels α mit einem Koeffizienten C erhalten wird, wobei 0,25 ≤ C ≤ 0,45 gilt.
Es wird eine Linie N angenommen, die um den Winkel C·γ in der Wirbelrichtung gegenüber der Linie M gedreht ist, welche den Startpunkt 6 der Verbindungsleitung 5 und das Zentrum Os des zylindrischen Teils 3 verbindet, wie in 1A gezeigt ist. Diese Linie N stellt die Flußraten-Schwerpunktsposition der Verbindungsleitung 5 dar.
Die Linie P, welche das Zentrum Os mit dem Zylinderzentrum Oc verbindet, stellt die optimale Einlaßflußposition der angesaugten Luft über die Verbindungsleitung 5 dar, so daß ein optimaler Wirbel erzeugt wird.
Der Winkel zwischen der Linie N und der Linie P ist auf α eingestellt. Dieser Winkel α entspricht daher dem Winkel, der durch die Flußraten-Schwerpunktsposition und die optimale Einlaßflußposition am Zentrum Os des zylindrischen Teils 3 aufgespannt wird.
Nunmehr wird die Querschnittsfläche der Grenzfläche des geraden Teils 2 und des gewundenen Teils 4, gezeigt in 1A, mit A bezeichnet. Die Grenzfläche entspricht dem Teil des geraden Teils 2, welches den minimalen Querschnitt aufweist.
Die Höhe H der Verbindungsleitung 5 wird durch folgende Gleichung (1) festgelegt, unter Verwendung eines Absenkwinkels θ des Wirbels in dem gewundenen Teil 4, wie in 4 gezeigt, eines Radius Rt des zylindrischen Teils 3, und des Winkels α. H = Rt·α·tanθ (1)
Die Dachebene des gewundenen Teils 4 ist auf einer geneigten Ebene vorgesehen, welche im wesentlichen mit dem Absenkwinkel θ des Wirbels übereinstimmt. Der Absenkwinkel θ des Wirbels wird durch folgende Gleichung (2) ausgedrückt:
wobei:

Sr: = Wirbelverhältnis, welches durch die Motorleistung gefordert wird,
B: = Durchmesser des Zylinders, und
St: = Hubentfernung des Kolbens.

Hierbei stellt das Wirbelverhältnis Sr einen Wert dar, der bei einem Versuch mit konstantem Fluß beim vollen Anheben des Einlaßventils erhalten wird, und von einem Impuls-Wirbelmeßgerät gemessen wird, und durch folgende Gleichung (3) festgelegt ist:
wobei:

ω: = Drehimpuls des Wirbels pro Zeiteinheit, gemessen von dem Impuls-Wirbelmeßgerät,
ρ: = die Dichte der Luft, und
Q: = Luftmassenflußrate während des Versuchs.

In 3 zeigt der Pfeil X einen Wirbel an, der entlang der Wände des Zylinders 1 vorhanden ist, und zeigt der Pfeil Y an, daß kein Wirbel entlang diesen Wänden auftritt. Der Drehimpuls, der aufrechterhalten wird, wenn Luft von dem zylindrischen Teil 3 in den Zylinder 1 fließt, ist größer für den Wirbel X als für den Wirbel Y, und X bewirkt einen starken Wirbel in dem Brennraum 1A. Um einen starken Wirbel zu erzeugen ist es daher wirksam, den Luftfluß entlang der Wände des Zylinders 1 von dem zylindrischen Teil 3 auszuführen, wie in 8 gezeigt ist.
Luft, die durch das gerade Teil 2 geflossen ist, fließt durch das gewundene Teil 4, fließt als Wirbel um die Wände des zylindrischen Teils 3, und gelangt dann in den Zylinder 1. In diesem Fall hängt die Richtung der Luft, die in den Zylinder 1 eingesaugt wird, von dem Absenkwinkel θ des Wirbels ab, wie in 4 gezeigt ist. Die Abmessungen, welche den maximalen Wirbeleffekt ergeben, werden daher durch die nachstehenden Beziehungen festgelegt.
Wird angenommen, daß die gesamte angesaugte Luft entlang den Wänden des Zylinders 1 mit einer Geschwindigkeit v fließt, so ergibt sich der Drehimpuls U der angesaugten Luft pro Zeiteinheit aus folgender Gleichung (4).
Die Flußgeschwindigkeit v der angesaugten Luft wird durch folgende Gleichung (5) als Flußrate durch das gerade Teil 2 ausgedrückt:
Der Drehimpuls U ergibt sich daher aus folgender Gleichung (6):
Das Wirbelverhältnis Sr ergibt sich aus folgender Gleichung (7):
Der Absenkwinkel θ der angesaugten Luft wird daher durch die voranstehende Gleichung (2) ausgedrückt.
Eine Wirbelentfernung L des spiralförmigen Flusses in dem zylindrischen Teil 3 ergibt sich aus folgender Gleichung (9):
Die Wirbelentfernung L zur Erzeugung eines wirksamen Wirbels wird folgendermaßen bestimmt:
Startpunkte für den Wirbelfluß in den 4, 5 verlaufen durch die gesamte Verbindungsleitung 5. Der Schwerpunkt der angesaugten Luft, welche von der Verbindungsleitung 5 aus in den Brennraum 1A hineinfließt, ist so angeordnet, daß er mit der Position übereinstimmt, an welcher der Fluß entlang den Wänden des Zylinders 1 verstärkt wird.
Aus experimentellen und theoretischen Untersuchungen wird dies normalerweise durch eine Position bewirkt, welche das 0,25- bis 0,45-fache der Winkelbreite γ der Verbindungsleitung 5 beträgt, wie in 6 gezeigt ist.
Andererseits liegt die Hineinfließposition, an welcher der Drehimpuls maximiert wird, auf der Linie P, welche das Zylinderzentrum Oc und das Zentrum Os des zylindrischen Teils 3 verbindet, wie in 1A gezeigt.
Wenn mit α der Winkel bezeichnet wird, der durch die Schwerpunktsposition der Luft, die in den Brennraum 1A hineinfließt, und die Hineinfließposition aufgespannt wird, an welcher der Drehimpuls im Zylinderzentrum Os maximiert wird, so ergibt sich die Wirbelentfernung L aus dem folgenden Ausdruck: L = Rt·α (10)
Die Höhe der Verbindungsleitung 5 wird daher durch die obige Gleichung (1) ausgedrückt.
Die Gleichung (1) enthält Fehler, nämlich daß der gesamte Drehimpuls der angesaugten Luft durch den Fluß entlang der Wände des Zylinders 1 ausgedrückt wird, oder daß der Fluß von der Verbindungsleitung 5 durch die Schwerpunktsposition der hineinfließenden Luft ausgedrückt wird. Diese Fehler führen dazu, daß die Berechnungen des Wirbels einen höheren Wert erreichen, als er in der Praxis erreicht wird.
Darüber hinaus wurde die Hineinfließgeschwindigkeit v durch die Geschwindigkeit in dem geraden Teil 2 angegeben, jedoch ist in der Praxis die Hineinfließgeschwindigkeit v größer als dieser Wert, infolge einer Flußverdichtung in der Verbindungsleitung 5.
Diese beiden Fehlereinflüsse gleichen einander aus, und daher kann die Einstellung der Abmessungen der Einlaßleitung 10 unter Verwendung von Gleichung (1) mit ausreichend hoher Genauigkeit durchgeführt werden.
Durch Einstellung des Absenkwinkels θ des Wirbelflusses der angesaugten Luft so, daß dieser im wesentlichen mit dem Absenkwinkel des Dachs des gewundenen Teils 4 übereinstimmt, wird von dem gewundenen Teil 4 zum zylindrischen Teil 3 hin angesaugte Luft dazu veranlaßt, glatt hineinzufließen, und wird der Flußratenkoeffizient des Einlaßkanals 10 verbessert.
Wie voranstehend geschildert werden daher dadurch, daß die von dem zylindrischen Teil 3 in den Zylinder angesaugte Luft zur Wirbelbildung veranlaßt wird, sowohl ein intensiver Wirbel mit einem Wirbelverhältnis von mehr als 6 als auch ein wünschenswerter Volumenwirkungsgrad erzielt.

Claims

Schraubenförmiger Einlaßkanal, durch welchen Luft in einen Brennraum (1A) eines Dieselmotors fließt, mit einem zylindrischen Teil (3), welcher eine Öffnung am oberen Ende des Brennraums (1A) aufweist, einem gewundenen Teil (4), welcher spiralförmig gebogen ist, und einem geraden Teil (2), welcher mit dem stromaufwärtigen Ende des gewundenen Teils (4) verbunden ist, um Luft dem gewundenen Teil (4) als linearen Strom zuzuführen, dadurch gekennzeichnet, daß das gewundene Teil (4) an das zylindrische Teil (3) über eine Verbindungsleitung (5) angeschlossen ist, die im oberen Ende des zylindrischen Teils (3) vorgesehen ist, wobei eine Höhe (H) von der Öffnung zu der Verbindungsleitung (5) durch folgende Gleichung bestimmt ist: H = Rt·α·tanθ,wobei Rt der Radius des zylindrischen Teils (3) ist, α der Winkel ist, welcher von der Flußraten-Schwerpunktsposition und der optimalen Hineinflußposition der Verbindungsleitung (5) im Zentrum (Os) des zylindrischen Teils (3) aufgespannt wird, und θ der Absenkwinkel der angesaugten Luft in dem gewundenen Teil (4) ist.
Schraubenförmiger Einlaßkanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel α der Winkel zwischen einer Linie (N), die in einem Winkel C·γ in Wirbelrichtung in Bezug auf eine Linie verläuft, welche einen Startpunkt (6) der Verbindungsleitung (5) und das Zentrum (Os) des zylindrischen Teils (3) verbindet, und einer Linie (P) ist, welche das Zentrum (Os) des zylindrische Teils (3) und das Zentrum (Oc) eines Zylinders (1) verbindet, wobei der Winkel γ ein Ausbreitungswinkel γ ist, welcher in Bezug zur Länge der Verbindungsleitung (5) steht, und C ein Koeffizient in folgendem Bereich ist: 0,25 < C < 0,45.
Schraubenförmiger Einlaßkanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Absenkwinkel einer Dachebene des gewundenen Teils (4) im wesentlichen mit einem Absenkwinkel θ der angesaugten Luft übereinstimmt, der aus folgender Gleichung erhalten wird:
wobei Sr = das Soll-Wirbelverhältnis ist, A = die Querschnittsfläche des Teils, welches das gerade Teil (2) und den gewundene Teil (4) verbindet, St = die Hubentfernung des Kolbens ist, welcher in dem Brennraum (1A) eine Kompression und Expansion durchführt, und B = der Durchmesser des Zylinders (1) ist.