DE19814187A1

DE19814187A1 - Einsaugdrallkanal für eine Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE19814187A1
Application number: DE19814187A
Authority: DE
Inventors: Junichi Kawashima; Toshifumi Nishimura; Seiji Niinuma
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1997-06-10
Filing date: 1998-03-30
Publication date: 1999-01-21
Anticipated expiration: 2018-03-31
Also published as: DE19814187B4; US6003485A

Description

Der Inhalt der Tokugan Hei P9-152479 mit Anmeldetag 10.06.1997 in Japan wird hiermit durch Verweis miteinbezogen.

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Einsaugdrallkanal eines Dieselmotors.

Hintergrund der Erfindung

Einsaugdrallkanäle mit einem spiralförmigen Aufbau werden häufig als Einsaugkanäle bei Direkteinspritzer-Dieselmotoren verwendet. Derartige Einsaugdrallkanäle bilden ei nen starken Luftwirbel innerhalb eines Zylinders und fördern die Durchmischung von Treibstoff und angesaugter Luft.

Ein derartiger Ansaugdrallkanal ist beispielsweise im japanischen Patent Tokkai Sho 59-12124 beschrieben, das 1984 vom Japanischen Patentamt veröffentlicht wurde. Fig. 8 und Fig. 9 zeigen jeweils einen senkrechten Querschnitt und einen Grundriß dieses Ein saugdrallkanals. In diesen Abbildungen umfaßt der Einsaugdrallkanal 10 einen geraden Kanal 16, einen Drallkanal 13 von spiralförmiger Gestalt, der mit dem geraden Kanal 16 verbunden ist, und einen zylinderförmigen Hals 14, der unterhalb des Drallkanals 13 ausgebildet ist. Der angesaugten Luft, die vom geraden Kanal 16 einströmt, wird eine Drehbewegung durch den Drallkanal 13 aufgeprägt, dann strömt sie durch den Hals 14 von einem Einlaßventil 12 in einen Zylinder 17, während sie eine Drallströmung auslöst. Bei diesem Stand der Technik wird durch eine geeignete Ausgestaltung der Grundform des Wirbeldurchlasses der Einlaßöffnung der Drall ohne eine Verringerung des Strö mungskoeffizienten der Einlaßöffnung verbessert.

Da jedoch die Eigenschaften der Luftströmung nicht nur durch die Form des Drallkanals im Grundriß, sondern auch durch dessen Form im Querschnitt bestimmt wird, ist es schwer, ein Drallverhältnis auf einen gewünschten Wert zu setzen und gleichzeitig nur durch Vorschreiben der Form des Drallkanals im Grundriß den Drall zu erhöhen und den Strömungskoeffizienten der Einlaßöffnung zu verbessern.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Erfindung hat daher zum Ziel, durch eine geeignete Ausgestaltung der Form des Drallkanals sowohl im Grundriß als auch im Querschnitt die Verwirbelung zu erhöhen und einen Strömungskoeffizienten der Einlaßöffnung zu verbessern.

Um das obige Ziel zu erreichen, sieht diese Erfindung einen Einsaugdrallkanal für eine Verbrennungskraftmaschine vor, der einen geraden Kanal, einen mit dem geraden Ka nal verbundenen Drallkanal, der spiralförmig um die Mitte eines Einlaßventils geformt ist, und einen zylinderförmigen Hals vor, der mit dem Drallkanal über eine Öffnung verbun den ist, die sich über die gesamte Wirbelfläche des Drallkanals erstreckt, wobei eine Querschnittsfläche S des Drallkanals durch die folgende Gleichung bestimmt ist:

dabei sind:
β = Drallwinkel von der Drall-Startposition,
β0 = Gesamter Drallwinkel von der Drall-Startposition bis zur Drall-Endposition des Drallkanals,
S0 = Querschnittsfläche des Drallkanals an der Drall-Startposition.

Entsprechend einem weiteren erfindungsgemäßen Gesichtspunkt ist eine Weite W des Drallkanals durch die folgende Gleichung bestimmt:

dabei sind:
β = Drallwinkel von der Drall-Startposition
β0 = Gesamter Drallwinkel von der Drall-Startposition bis zur Drall-Endposition des Drallkanals
W0 = Weite des Drallkanals an der Drall-Startposition.

Entsprechend einem weiteren erfindungsgemäßen Gesichtspunkt ist eine Weite L der Öffnung durch die folgende Gleichung bestimmt:

dabei sind:
R = Ein mittlerer Radius der Öffnung von der Mitte des Einlaßventils,
β0 = Gesamter Drallwinkel von der Drall-Startposition bis zur Drall-Endposition des Drallkanals,
S0 = Querschnittsfläche des Drallkanals an der Drall-Startposition,
C = Öffnungsflächenverhältnis (Verhältnis der projizierten Fläche in einer Öffnungsebene relativ zu S0).

Entsprechend einem weiteren erfindungsgemäßen Gesichtspunkt weist der Einsaug drallkanal des weiteren eine Ventilführung auf, die das Einlaßventil abstützt und einen Teil des Daches des Halses bildet, wobei ein Abschnitt für die Bearbeitungszugabe am unteren Ende der Ventilführung vorgesehen ist.

Sowohl die Einzelheiten als auch die anderen Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden in der restlichen Beschreibung erläutert und in den beiliegenden Zeichnungen gezeigt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt einen senkrechten Querschnitt eines erfindungsgemäßen Ansaugdrall kanals.

Fig. 2 zeigt einen horizontalen Querschnitt des erfindungsgemäßen Ansaugdrall kanals.

Fig. 3 zeigt einen Graphen, in dem eine Beziehung zwischen einer Querschnittsflä che und einem Drallwinkel des Drallkanals dargestellt ist.

Fig. 4 zeigt einen Graphen, in dem eine Beziehung zwischen einer Weite und ei nem Drallwinkel des Drallkanals gezeigt ist.

Fig. 5 zeigt einen horizontalen Querschnitt der erfindungsgemäßen Ansaugdrallöff nung mit einem Zustand der Drallströmung.

Fig. 6 zeigt einen Graphen, in dem eine Beziehung zwischen einem Öffnungsflä chenverhältnis und einem Drallverhältnis sowie eine Beziehung zwischen ei nem Öffnungsflächenverhältnis und einem Strömungskoeffizienten der An saugöffnung gezeigt ist.

Fig. 7 ist ähnlich der Fig. 1, zeigt aber ein zweites erfindungsgemäßen Ausfüh rungsbeispiel.

Fig. 8 zeigt einen senkrechten Querschnitt eines Ansaugdrallkanals aus dem Stand der Technik.

Fig. 9 zeigt einen Grundriß des Ansaugdrallkanals aus dem Stand der Technik.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

In der Fig. 1 und der Fig. 2 der Zeichnungen ist ein Zylinderkopf 1 gezeigt, der mit einem Einlaßventil 2 und einer Ventilführung 5 versehen ist, die das Einlaßventil 2 abstützen. Ein Drallkanal 3 ist spiralförmig um die Ventilführung 5 ausgeformt, die bezüglich des Einlaßventils 2 zentriert ist, ein zylinderförmiger Hals 4 ist unterhalb des Drallkanals 3 ausgebildet und ein gerader Kanal 6 schließt sich stromauf des Drallkanals 3 an.

Ein gesamter Drallwinkel von einer Drall-Startposition ist zu einer Drall-Endposition des Drallkanals 3 ist mit β0 bezeichnet. Der Drallkanal 3 ist mit dem Hals 4 über die ge samte Drallfläche durch eine Öffnung 7 verbunden. Die Drall-Startposition ist diejenige Position, an der der Drallkanal 3 und der gerade Kanal 6 miteinander verbunden sind. Die Drall-Endposition ist diejenige Position, an der die Querschnittsfläche des Drallka nals 3 effektiv Null wird. Die Querschnittsfläche S des Drallkanals 3 ist so ausgestaltet, daß sie in einem konstanten Verhältnis von S0 an der Drall-Startposition abnimmt, wäh rend ein Drallwinkel β von der Drall-Startposition an größer wird. An der Drall- Endposition wird die Querschnittsfläche S des Drallkanals 3 Null.

Die Querschnittsfläche S des Drallkanals 3 wird durch die folgende Gleichung bestimmt:

dabei sind:
β = Drallwinkel von der Drall-Startposition,
β0 = Gesamter Drallwinkel von der Drall-Startposition bis zur Drall-Endposition des Drallkanals 3, und
S0 = Querschnittsfläche des Drallkanals 3 an der Drall-Startposition.

Fig. 3 zeigt eine Beziehung zwischen der Querschnittsfläche S und dem Drallwinkel β des Drallkanals 3. Die Querschnittsfläche S nimmt mit steigendem Drallwinkel β in ei nem konstanten Verhältnis ab. Wenn angesaugte Luft in einer Menge, die einer Ab nahme der Querschnittsfläche des Drallkanals 3 entspricht, durch die Öffnung 7 aus dem Drallkanal 3 in den Hals 4 eingeleitet wird, dann wird die Menge der angesaugten Luft, die durch die Öffnung 7 aus dem Drallkanal 3 in den Hals 4 eingeleitet wird, über die gesamte Drallfläche konstant, wenn die Querschnittsfläche S des Drallkanals 3 in einem konstanten Verhältnis über die gesamte Drallfläche abnimmt.

Daher kann die gesamte Drallfläche gleichmäßig zur Erzeugung eines Dralls verwendet werden. Zudem kann eine Strömung, deren Geschwindigkeit in allen Abschnitten der Öffnung 7 gleich ist, aus dem Einlaßventil 2 in einen Zylinder eingeleitet werden und der Wirkungsgrad der Drallerzeugung im Zylinder wird verbessert.

Da zudem der Querschnitt des Drallkanals 3 im wesentlichen rechteckig ist, wird die Weite W des Drallkanals 3 durch die folgende Gleichung bestimmt:

dabei sind:
β = Drallwinkel von der Drall-Startposition
β0 = Gesamter Drallwinkel von der Drall-Startposition bis zur Drall-Endposition des Drallkanals 3, und
W0 = Weite des Drallkanals 3 an der Drall-Startposition.Wie in Fig. 4 gezeigt ist, nimmt daher die Weite W des Drallkanals 3 direkt proportional zur Quadratwurzel der Querschnittsfläche S des Drallkanals 3 mit zunehmendem Drall winkel β ab. Der Radius r von der Mitte des Einlaßventils 2 des Drallkanals 3 nimmt zunehmend mit größer werdendem Drallwinkel β ab und ändert sich gleichmäßig über die gesamte Drallfläche von einem größten Radius r0 an der Drall-Startposition bis zu einem kleinsten Radius an der Drall-Endposition.

Während die Querschnittsfläche S des Drallkanals 3 in einem festen Verhältnis ab nimmt, ist die Höhe H des Drallkanals im wesentlichen direkt proportional zu seiner Weite W (d. h. H ist direkt proportional zur Quadratwurzel der Änderung von S). Daher hat der Querschnitt des Drallkanals 3 über seine gesamte Länge eine beinahe feste Gestalt.

Da der Querschnitt des Drallkanals 3 eine beinahe feste Gestalt aufweist, strömt die eingesaugte Luft mit einem sehr kleinen Turbulenzgrad entlang dem inneren Umfang des Drallkanals 3. Der Strömungskoeffizient der Einlaßöffnung wird dadurch verbessert und der Drall erhöht.Eine Weite L der Öffnung 7, die den Drallkanal 3 und den Hals 4 verbindet, wird durch die folgende Gleichung bestimmt:

dabei sind:
R = Ein mittlerer Radius von der Mitte des Einlaßventils 2 der Öffnung 7,
β0 = Gesamter Drallwinkel von der Drall-Startposition bis zur Drall-Endposition des Drallkanals 3,
S0 = Querschnittsfläche des Drallkanals an der Drall-Startposition, und
C = Öffnungsflächenverhältnis.

Dabei stellt das Öffnungsflächenverhältnis C das Verhältnis der in eine Ebene der Öff nung 7 projizierten Fläche relativ zur Querschnittsfläche S0 an der Drall-Startposition des Drallkanals 3 dar und ist auf einen Wert von 0,6-1,0 gesetzt.

Daher ist die Weite L der Öffnung 7 über die gesamte Drallfläche des Drallkanals 3 bei nahe konstant, wie in der Fig. 5 gezeigt ist. Die Geschwindigkeit und das Drehmoment der Luft, die in den Hals 4 aus dem Drallkanal 3 eintritt, werden daher über die gesamte Drallfläche vergleichmäßigt, so daß ein starker Drall zusammen mit einem großen Strö mungskoeffizienten der Einlaßöffnung erhalten wird.

Durch Anpassen der Weite L der Öffnung 7 kann eine Eintrittsgeschwindigkeit V der angesaugten Luft reguliert und das Drallverhältnis des erzeugten Dralles verändert wer den. Insbesondere nimmt die Eintrittsgeschwindigkeit der von der Öffnung 7 angesaug ten Luft ab, wenn die Weite L der Öffnung 7 zunimmt, gleichzeitig nimmt das Drallver hältnis ab und der Strömungskoeffizient der Einlaßöffnung verbessert sich. Wenn um gekehrt die Weite L der Öffnung 7 verringert wird, dann nimmt eine Eintrittsgeschwin digkeit der angesaugten Luft zu, das Drallverhältnis nimmt zu und der Strömungskoeffi zient der Eintrittsöffnung fällt ab.

Wenn dabei das Öffnungsflächenverhältnis C größer als 1,0 gesetzt wird, dann nimmt die Änderung sowohl des Drallverhältnisses als auch des Strömungskoeffizienten der Eintrittsöffnung ab, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Dies rührt daher, daß die Eintrittsgeschwin digkeit der angesaugten Luft entsprechend der Querschnittsfläche S0 des Drallkanals 3 an der Drall-Startposition festliegt. Wenn das Öffnungsflächenverhältnis C andererseits kleiner als 0,6 wird, dann fällt der Strömungskoeffizient der Eintrittsöffnung scharf ab.

Wenn daher die Weite L der Öffnung 7 derart festgesetzt wird, daß das Öffnungsflä chenverhältnis C innerhalb eines Bereiches von 0,6-1,0 liegt, dann kann das Drallver hältnis ohne eine starke Änderung des Strömungskoeffizienten der Eintrittsöffnung nachgestellt werden.

Fig. 7 zeigt ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel. Ein Abschnitt 5a für eine Bearbeitungszugabe ist am unteren Ende der Ventilführung 5 vorgesehen, die das Einlaßventil 2 abstützt.

Wenn ein Schneidwerkzeug M in den Hals 4 unterhalb des Zylinderkopfes 1 eingeführt wird und der Abschnitt 5a für die Bearbeitungszugabe vom Schneidwerkzeug M ausge schnitten wird, ändern sich die Weite L der Öffnung 7 und die Höhe des Halses 4, und der Strömungskoeffizient und das Drallverhältnis der Eintrittsöffnung können eingestellt werden.

Da das benötigte Drallverhältnis aufgrund von Unterschieden in den Ansaugsystemen (Saugmotor oder Motor mit Kompressor), den Eigenschaften der Treibstoffeinspritz pumpe oder aufgrund von Bestimmungen für die Fahrzeuge der Importländer sich än dert, mußte beim Stand der Technik die Gußform für einen Zylinderkopf entsprechend dem benötigten Drallverhältnis geändert werden. Entsprechend dieser Erfindung kann eine Gußform mit der gleichen Form in all diesen Fällen verwendet werden.

Die Ausführungsbeispiele dieser Erfindung, für die ein ausschließliches Eigentum oder Recht beansprucht wird, sind wie folgt definiert:

Claims

1. Ansaugdrallkanal für eine Verbrennungskraftmaschine, die die folgenden Merk male aufweist:
einen geraden Kanal, einen mit dem geraden Kanal verbundenen Drallkanal, der spiralförmig um die Mitte eines Einlaßventils ausgebildet ist, und einen zylinder förmigen Hals, der über die gesamte Drallfläche des Drallkanals mit dem Drallka nal durch eine Öffnung verbunden ist, wobei eine Querschnittsfläche S des Drall kanals durch die folgende Gleichung bestimmt ist:
dabei sind:
β = Drallwinkel von der Drall-Startposition,
β0 = Gesamter Drallwinkel von der Drall-Startposition bis zur Drall-Endposition des Drallkanals,
S0 = Querschnittsfläche des Drallkanals an der Drall-Startposition.

2. Ansaugdrallöffnung für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, wobei eine Weite W des Drallkanals durch die folgende Gleichung bestimmt ist:
dabei sind:
β = Drallwinkel von der Drall-Startposition
β0 = Gesamter Drallwinkel von der Drall-Startposition bis zur Drall-Endposition des Drallkanals
W0 = Weite des Drallkanals an der Drall-Startposition.

3. Ansaugdrallöffnung für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2, wobei eine Weite L der Öffnung durch die folgende Gleichung bestimmt ist:
dabei sind:
R = Ein mittlerer Radius der Öffnung von der Mitte des Einlaßventils,
β0 = Gesamter Drallwinkel von der Drall-Startposition bis zur Drall-Endposition des Drallkanals,
S0 = Querschnittsfläche des Drallkanals an der Drall-Startposition,
C = Öffnungsflächenverhältnis (Verhältnis der projizierten Fläche in einer Öffnungsebene relativ zu S0).

4. Ansaugdrallkanal für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 3, die des weiteren eine Ventilführung aufweist, die das Einlaßventil abstützt und einen Teil der Decke des Halses bildet, wobei ein Abschnitt für eine Bearbeitungszugabe am unteren Ende der Ventilführung vorgesehen ist.