DE19820601A1 - Multi-cylinder engine with internal mixing - Google Patents

Multi-cylinder engine with internal mixing

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Abstract

The face of the second inlet channel (10) flange (12b) is at an angle to the sealing plane of the cylinder head and to the longitudinal plane (8) of the engine as drawn through the cylinder axes (7). A cylinder head screw axis (13) is transversed in the engine plane between two adjoining cylinders by the second inlet channel. The flange surface (12b) encloses an angle between 50-60 deg (BETA) with the longitudinal plane of the engine. The flange faces of the first and second inlet channels lie in a common flange plane (12) and the inlet channels start from flange surface areas which lie in plan view outside the cylinders. The face of the channel flange (12b) encloses an angle of 50 deg (GAMMA) with the plane (5a) drawn through the inlet valve axes.

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit innerer Gemischbildung, mit zwei zu jeweils einem Einlaßventil führenden, drallerzeugend ausgeführten Einlaßkanälen pro Zylinder, wobei der erste Einlaßkanal vorzugsweise als Tangentialkanal und der zweite Einlaßkanal als Spiralkanal ausgebildet ist und beide Einlaßkanäle von auf einer Seite des Zylinderkopfes angeordnete Flanschflächen ausgehen, und wobei die Ventilachsen der Ein­ laßventile etwa parallel zueinander ausgebildet sind.The invention relates to a multi-cylinder internal combustion engine with internal mixture formation, with two inlet ducts leading to an inlet valve and designed to produce swirl per cylinder, the first inlet channel preferably as a tangential channel and the second Inlet channel is designed as a spiral channel and both inlet channels from on one side of the Cylinder head arranged flange faces go out, and with the valve axes of the one let valves are approximately parallel to each other.

Aus der DE 19 06 443 A ist eine Brennkraftmaschine mit zwei drallerzeugenden Einlaßkanä­ len pro Zylinder bekannt, welche von einer gemeinsamen seitlichen Flanschebene ausgehen. Dies hat den Nachteil, daß für drallerzeugende Kanäle bei gewissen Verhältnissen von Ven­ tilposition und Flanschlage Zwänge entstehen, die eine optimale Auslegung der Kanäle hin­ sichtlich Drall und Durchfluß verhindern. Unter der Voraussetzung, daß die Verbindung der Ventilmitten parallel zur Motorlängsachse ist, wird es für diese, eine sehr einfache Ventil­ steuerung erlaubende Anordnung sehr schwierig, drallerzeugende Kanäle mit optimalem Durchfluß zu realisieren.From DE 19 06 443 A is an internal combustion engine with two swirl-generating inlet channels len known per cylinder, which start from a common lateral flange level. This has the disadvantage that for swirl-generating channels under certain conditions of Ven tilposition and flanges are constraints that result in an optimal design of the channels visibly prevent swirl and flow. Provided that the connection of the Valve center is parallel to the engine longitudinal axis, it becomes for this, a very simple valve arrangement allowing control very difficult, swirl generating channels with optimal To realize flow.

Es wird dabei einer der Kanäle sowohl als Tangential- oder Spiralkanal optimal den ge­ wünschten Drall der Zylinderladung erzeugen. Um die für den zweiten Einlaßkanal günstigste Position zu finden, ist für einen Spiralkanal ein bestimmter Winkel α, der zwischen der die Ventil- und Zylindermitte verbindenden Geraden einerseits sowie der die Ventilmitte und ei­ nen ersten Spiralquerschnitt verbindenden Geraden andererseits liegt, einzuhalten.It is one of the channels both as a tangential or spiral channel optimally the ge generate the desired swirl of the cylinder charge. To be the cheapest for the second inlet duct Finding a position is a certain angle α for a spiral channel, which is between the Straight lines connecting the valve and cylinder center as well as the valve center and the egg a straight line connecting the first spiral cross section, on the other hand, must be observed.

Der durch Messung gefundene Verlauf der Drallzahl Dz in Abhängigkeit vom Winkel α läßt das Maximum der Drallzahl Dz bei etwa 180° erkennen, so daß dieser Winkel praktisch anzu­ streben ist, um optimale Drallwerte zu erreichen.The course of the swirl number Dz found by measurement as a function of the angle α leaves recognize the maximum of the twist number Dz at about 180 °, so that this angle is practically too strive to achieve optimal swirl values.

Aus konstruktiven Gründen ergeben sich dadurch verschiedene Probleme. Ist nämlich der Zulaufteil des ersten Kanales kurz und strömungsgünstig, so ergibt sich für die Spiralenlage des zweiten Kanales ein Winkel α von etwa 270°. In diesen Bereich weist die Drallzahl Dz in Abhängigkeit vom Winkel α jedoch ein Minimum auf. Die Wirkung dieses Kanales ist daher durch niedrigen Drall und geringeren Durchfluß drastisch verschlechtert.For structural reasons, this creates various problems. Because that is Inlet part of the first channel is short and aerodynamic, this results in the spiral position of the second channel an angle α of approximately 270 °. The swirl number Dz in Depending on the angle α, however, a minimum. The effect of this channel is therefore deteriorated dramatically due to low swirl and lower flow.

Bei der aus der DE 19 06 443 A bekannten Anordnung, bei der die Spirale des ersten Kanales eine optimale Lage von α=180° aufweist, muß der Kanalzulaufteil des zweiten Kanales stark gekrümmt werden. Eine beliebige Vergrößerung des Krümmungsradius des Kanalzulaufteiles ist wegen Überschneidung mit dem zum Nachbarzylinder führenden Kanal nicht möglich. Es kommt in diesem stark gekrümmten Zulaufteil zu Strömungsablösungen, die die Vorteile der guten Spiralenlage zunichte machen. In the arrangement known from DE 19 06 443 A, in which the spiral of the first channel has an optimal position of α = 180 °, the channel inlet part of the second channel must be strong be curved. Any increase in the radius of curvature of the channel inlet part is not possible due to overlap with the channel leading to the neighboring cylinder. It flow separations occur in this strongly curved inlet part, which have the advantages of destroy good spiral position.  

Brennkraftmaschinen, bei denen jeweils die Flanschfläche des Einlaßkanales sowohl zur Mo­ torlängsebene als auch zur Zylinderkopfebene geneigt ist, sind aus den Veröffentlichungen US 5 379 729 A, DE 42 08 725 A1, FR 1 225 060 A, EP 0 062 143 A2 und EP 0 431 866 A1 bekannt. Der Einlaßkanal ist dabei aber nicht als Spiralkanal ausgeführt, so daß relativ große konstruktive Freiheiten bestehen. Bei Brennkraftmaschinen mit einem Tangentialkanal und einem Spiralkanal ist es weitaus schwieriger eine Anordnung zu finden, welche einerseits eine optische Strömungsgestaltung ermöglicht und andererseits bauliche und konstruktive Nach­ teile für angrenzende Bauteilen vermeidet.Internal combustion engines, in each of which the flange surface of the inlet channel both to Mo longitudinal gate plane and inclined to the cylinder head plane are from the publications US 5 379 729 A, DE 42 08 725 A1, FR 1 225 060 A, EP 0 062 143 A2 and EP 0 431 866 A1 known. The inlet channel is not designed as a spiral channel, so that relatively large constructive freedoms exist. In internal combustion engines with a tangential channel and In a spiral channel, it is much more difficult to find an arrangement that is one allows optical flow design and on the other hand structural and constructive after avoids parts for adjacent components.

So ist aus der EP 0 527 122 B1 eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art mit einer Kanalanordnung bekannt, die bei einer Ventilanordnung mehr oder weniger parallel zur Mo­ torachse eine optimale Drallerzeugung erlaubt. Dies wird dadurch erreicht, daß der zweite Einlaßkanal so ausgeführt ist, daß zumindest an einer Stelle die Kanalmittellinie etwa in Richtung der Zylinderachse liegt, wobei der zweite Einlaßkanal von einer in Motorlängsrich­ tung liegenden Flanschebene ausgeht, die etwa normal zur Zylinderachse angeordnet ist. Die­ se Anordnung erlaubt zwar eine optimale Strömungsgestaltung, hat allerdings den Nachteil, daß die Flanschfläche des zweiten Einlaßkanales im Bereich der Zylinderkopfdeckfläche an­ geordnet ist, wodurch sich bei der Saugrohrgestaltung konstruktive Probleme ergeben.For example, EP 0 527 122 B1 describes an internal combustion engine of the type mentioned at the beginning Channel arrangement known, which is more or less parallel to the Mo in a valve arrangement optimal swirl generation allowed. This is achieved in that the second Inlet duct is designed so that at least at one point the channel center line in Direction of the cylinder axis is, the second intake port from one in engine longitudinal direction tion lying flange level, which is arranged approximately normal to the cylinder axis. The This arrangement allows an optimal flow design, but has the disadvantage that that the flange surface of the second intake port in the area of the cylinder head cover surface is ordered, which leads to constructive problems in the intake manifold design.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Kanalanordnung zu schaffen, die trotz einer Ventilanordnung mehr oder weniger parallel zur Motorachse eine optimale Drallerzeugung erlaubt und eine seitliche Zuführung der Einlaßkanäle ermöglicht.The object of the invention is to avoid these disadvantages and to provide a channel arrangement create a more or less parallel to the motor axis despite a valve arrangement optimal swirl generation allowed and a lateral feed of the inlet channels.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Flanschfläche des zweiten Einlaßkanales sowohl zur Zylinderkopfdichtebene als auch zur durch die Zylinderachsen aufgespannten Motorlängsebene geneigt ist und daß der zweite Einlaßkanal eine durch zumindest eine Zylin­ derkopfschraubenachse im Bereich zwischen zwei benachbarten Zylindern verlaufende Mo­ torquerebene schneidet. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß die Flanschfläche des zwei­ ten Einlaßkanales mit der Motorlängsebene einen Winkel zwischen 30° und 80°, vorzugs­ weise einen Winkel zwischen 40° und 70°, besonders vorzugsweise einen Winkel zwischen 50° und 60° einschließt. Der zweite Einlaßkanal wird dabei schraubenförmig um die Zylin­ derkopfschraube herumgeführt. Dadurch, daß der zweite Einlaßkanal dabei von der geneigten Flanschfläche ausgeht, ergibt sich ein größtmöglicher Krümmungsradius der Kanalmittellinie, so daß Strömungsablösungen in jedem Fall vermieden werden können. Durch beide Maßnah­ men zusammen, nämlich geneigte Anordnung der Flanschfläche und Zuführung des Einlaß­ kanales von einem Bereich des Nachbarzylinders, läßt sich ein viel größerer Krüm­ mungsradius erzielen, als durch jede einzelne Maßnahme allein betrachtet.According to the invention this is achieved in that the flange surface of the second inlet channel both to the cylinder head sealing plane and to the one spanned by the cylinder axes Longitudinal engine plane is inclined and that the second inlet channel one through at least one cylin the head screw axis in the area between two adjacent cylinders intersects the torquer plane. It is preferably provided that the flange surface of the two th inlet duct with the engine longitudinal plane an angle between 30 ° and 80 °, preferably point an angle between 40 ° and 70 °, particularly preferably an angle between Includes 50 ° and 60 °. The second inlet channel becomes helical around the cylinder the head screw led around. The fact that the second inlet channel from the inclined Flange surface, there is the greatest possible radius of curvature of the channel center line, so that flow separation can be avoided in any case. By both measures men together, namely inclined arrangement of the flange surface and feed of the inlet channel from an area of the neighboring cylinder, can be a much larger crumb Achieving radius as viewed by each individual measure alone.

Infolge der damit erreichten Freizügigkeit bei der Anordnung der drallerzeugenden Kanäle können optimale Verhältnisse bezüglich Drall und Strömung bei seitlicher Zuführung der Einlaßkanäle erreicht werden.As a result of the freedom of movement achieved in the arrangement of the swirl-generating channels can optimal conditions with regard to swirl and flow when the Inlet channels can be reached.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, daß die Flanschflä­ che des ersten und des zweiten Einlaßkanales in einer gemeinsamen Flanschebene liegen. Da­ durch kann ein einfaches, trotzdem günstiges und raumsparendes Einlaßröhrenwerk konzipiert werden.In a preferred embodiment of the invention it is provided that the flange che of the first and the second inlet channel lie in a common flange plane. There  through a simple, yet inexpensive and space-saving inlet tube system can be designed will.

Sehr vorteilhaft ist es, wenn die Einlaßkanäle von Bereichen der Flanschfläche ausgehen, wel­ che sich - im Grundriß betrachtet - außerhalb der Zylinder befinden. Dies ermöglicht es, Ein­ laßkanäle und Nockenwellenanordnung unabhängig voneinander und ohne Eingehen eines Zielkonfliktes festzulegen.It is very advantageous if the inlet channels start from areas of the flange surface, wel seen in the floor plan - are outside the cylinders. This enables one Let channels and camshaft arrangement independently of one another and without entering Determine conflicting goals.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to the figures. Show it:

Fig. 1 den Verlauf der Drallzahl Dz in Abhängigkeit von einem Bezugswinkel α, Fig. 1 shows the course of the swirl coefficient α Dz in response to a reference angle,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 4, Fig. 2 shows a section along the line II-II in Fig. 4,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III in Fig. 4 und Fig. 3 is a section along the line III-III in Fig. 4 and

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines Zylinderkopfes gemäß der Erfindung in Draufsicht. Fig. 4 shows an embodiment of a cylinder head according to the invention in plan view.

In Fig. 1 ist die gemessene Drallzahl Dz in Abhängigkeit vom Winkel α dargestellt. Dabei ist der über der Zylinderbohrung 22 angeordnete Ventilmittelpunkt im Bereich der Mündung in den Brennraum mit 1 bezeichnet. Der Winkel α wird gebildet von der den Ventilmittelpunkt 1 und den Zylindermittelpunkt 2 verbindenden Geraden 21 einerseits, sowie dem vom Ven­ tilmittelpunkt 1 ausgehenden Radius 20, der die Lage des ersten Spiralquerschnittes 3 festlegt, andererseits. Man kann das Maximum 4 der Drallzahl Dz bei einem Winkel α von knapp über 180° erkennen.In Fig. 1 the measured swirl number Dz α is shown as a function of angle. Here, the arranged above the cylinder bore 22 is designated in the valve center region of the orifice into the combustion chamber at 1. The angle .alpha. Is formed by the straight line 21 connecting the valve center 1 and the cylinder center 2 , on the one hand, and the radius 20 starting from the valve center 1 , which defines the position of the first spiral cross section 3 , on the other hand. The maximum 4 of the swirl number Dz can be seen at an angle α of just over 180 °.

In den Fig. 2 und 3, welche Kanallängsschnitte durch die Einlaßkanäle 9 und 10 zeigen, sind die Achsen der Einlaßventile mit 5 und jene der Auslaßventile mit 6 bezeichnet. Sowohl der als Tangentialkanal ausgebildete erste Einlaßkanal 9, als auch der als Spiralkanal ausgebildete zweite Einlaßkanal 10 gehen von in einer gemeinsamen Flanschebene 12 liegende Flanschflä­ chen 12a, 12b auf der der Auslaßseite gegenüberliegenden Seite des Zylinderkopfes 11 aus. Die Flanschfläche 12b ist dabei sowohl zur durch die Zylinderachsen 7 aufgespannten Mo­ torlängsebene 8, als auch zur Zylinderkopfdichtebene 18 geneigt angeordnet. Die Flanschflä­ che 12b schließt dabei mit der Motorlängsebene 7 bzw. einer parallelen Ebene 7a im Ausfüh­ rungsbeispiel einen Winkel β von etwa 50° bis 60° ein. Mit γ ist ein Bezugswinkel zwischen der Flanschebene 12 und einer durch die Ventilachsen 5 aufgespannten, im Beispiel zur Mo­ torlängsebene 8 leicht geneigten Ventilachsenebene 5a bzw. einer dazu parallelen Ebene 5b bezeichnet. Der als Spiralkanal ausgebildete zweite Einlaßkanal 10 ist im Bereich des Nach­ barzylinders so angeordnet, daß der Einlaßkanal 10 eine durch die Zylinderkopfschrau­ benachse 13 gelegte Motorquerebene 13a, welche etwa normal auf die Kurbelwellenachse verläuft, schneidet. Der zweite Einlaßkanal 10 ist dabei um eine Zylinderkopfschraubenboh­ rung 14 herumgeführt. In Kombination mit der geneigten Flanschfläche 12b wird erreicht, daß die Strömungsmittellinie 10a des zweiten Einlaßkanales einen relativ großen Krümmungsra­ dius beschreibt und der Einlaßkanal 10 in einem zum Erreichen einer optimalen Drallzahl Dz maßgeblichen Winkel α von ca. 180° in die Einlaßspirale 10b einmündet. Die Strömungslinie des ersten Einlaßkanales ist mit 9a bezeichnet.In FIGS. 2 and 3, which channel longitudinal sections through the intake ports 9 and 10, the axes of the intake valves 5 and that of the exhaust valves 6 are designated. Both formed as a tangential first intake port 9, and designed as a spiral channel second inlet channel 10 going from lying in a common flange plane 12 Flanschflä surfaces 12 a, 12 b on the opposite side of the outlet side of the cylinder head 11 is made. The flange 12 is in this case arranged both to the plane spanned by the cylinder axis 7 Mo torlängsebene 8, as well as to the cylinder head 18 is inclined sealing plane b. The flange surface 12 b includes an angle β of approximately 50 ° to 60 ° with the motor longitudinal plane 7 or a parallel plane 7 a in the exemplary embodiment. With γ is a reference angle between the flange plane 12 and a plane defined by the axes of the valve 5, in the example of Mo torlängsebene 8 slightly inclined valve axis plane 5 a or a plane parallel thereto 5 denotes b. The designed as a spiral channel second inlet channel 10 is arranged in the area of the bar cylinder so that the inlet channel 10 a benachse 13 through the cylinder head screw 13 engine transverse plane 13 a, which runs approximately normal to the crankshaft axis, intersects. The second inlet duct 10 is guided around a cylinder head screw boring 14 . In combination with the inclined flange surface 12 b it is achieved that the fluid line 10 a of the second inlet channel describes a relatively large radius of curvature and the inlet channel 10 in an angle α of approximately 180 ° into the inlet spiral 10 b, which is decisive for achieving an optimal swirl number Dz flows into. The flow line of the first inlet channel is designated 9 a.

Mit 6a ist die Lage der Auslaßkanalmündungen, mit 5a die Lage der Einlaßkanalmündungen in den Brennraum angedeutet.The position of the outlet channel openings is indicated by 6 a, the position of the inlet channel openings in the combustion chamber is indicated by 5 a.

Alternativ zu dem als Tangentialkanal ausgelegten ersten Einlaßkanal 9 kann dieser auch als Neutral- oder Spiralkanal gestaltet sein.As an alternative to the first inlet channel 9 designed as a tangential channel, this can also be designed as a neutral or spiral channel.

Claims (5)

1. Mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit innerer Gemischbildung, mit zwei zu jeweils einem Einlaßventil führenden, drallerzeugend ausgeführten Einlaßkanälen (9, 10) pro Zylinder (22), wobei der erste Einlaßkanal (9) vorzugsweise als Tangentialkanal und der zweite Einlaßkanal (10) als Spiralkanal ausgebildet ist und beide Einlaßkanäle (9, 10) von auf einer Seite des Zylinderkopfes (11) angeordneten Flanschflächen (12a, 12b) ausgehen, und wobei die Ventilachsen (5) der Einlaßventile etwa parallel zueinander ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet daß die Flanschfläche (12b) des zweiten Einlaßkanales (10) sowohl zur Zylinderkopfdichtebene (18) als auch zur durch die Zy­ linderachsen (7) aufgespannten Motorlängsebene (8) geneigt ist und daß der zweite Einlaßkanal (10) eine durch zumindest eine Zylinderkopfschraubenachse (13) im Be­ reich zwischen zwei benachbarten Zylindern (22) verlaufende Motorquerebene (13a) schneidet.1. Multi-cylinder internal combustion engine with internal mixture formation, with two inlet ducts ( 9 , 10 ) per cylinder ( 22 ) leading to one inlet valve each, designed to produce swirl, the first inlet duct ( 9 ) preferably being designed as a tangential duct and the second inlet duct ( 10 ) as a spiral duct and both inlet ducts ( 9 , 10 ) extend from flange surfaces ( 12 a, 12 b) arranged on one side of the cylinder head ( 11 ), and the valve axes ( 5 ) of the inlet valves are approximately parallel to one another, characterized in that the flange surface ( 12 b) of the second inlet duct ( 10 ) both to the cylinder head sealing plane ( 18 ) and to the longitudinal axis plane ( 8 ) spanned by the cylinder axes ( 7 ) and the second inlet duct ( 10 ) is inclined by at least one cylinder head screw axis ( 13 ) in the loading engine cross-plane ( 13 a) extends richly between two adjacent cylinders ( 22 ). 2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanschflä­ che (12b) des zweiten Einlaßkanales (10) mit der Motorlängsebene (8) einen Winkel (β) zwischen 30° und 80°, vorzugsweise einen Winkel (β) zwischen 40° und 70°, besonders vorzugsweise einen Winkel (β) zwischen 50° und 60° einschließt.2. Internal combustion engine according to claim 2, characterized in that the flange surface ( 12 b) of the second inlet channel ( 10 ) with the engine longitudinal plane ( 8 ) an angle (β) between 30 ° and 80 °, preferably an angle (β) between 40 ° and 70 °, particularly preferably includes an angle (β) between 50 ° and 60 °. 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanschflächen (12a, 12b) des ersten und zweiten Einlaßkanales (9, 10) in einer gemein­ samen Flanschebene (12) liegen.3. Internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterized in that the flange surfaces ( 12 a, 12 b) of the first and second inlet channel ( 9 , 10 ) lie in a common flange plane ( 12 ). 4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßkanäle (9, 10) von Bereichen der Flanschfläche (12b) ausgehen, welche sich - im Grundriß betrachtet - außerhalb der Zylinder (22) befinden.4. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the inlet channels ( 9 , 10 ) emanate from regions of the flange surface ( 12 b), which - viewed in plan - are outside the cylinder ( 22 ). 5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanschfläche (12b) des zweiten Einlaßkanales (10) zu einer durch die Einlaßven­ tilachsen (5) aufgespannten Ebene (5a) einen Winkel (γ) zwischen 40° und 80°, vor­ zugsweise zwischen 50° und 70°, besonders vorzugsweise einen Winkel (γ) von etwa 60° einschließen.5. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the flange surface ( 12 b) of the second inlet channel ( 10 ) to a tilachsen by the inlet valves ( 5 ) spanned plane ( 5 a) an angle (γ) between 40 ° and 80 °, preferably between 50 ° and 70 °, particularly preferably include an angle (γ) of about 60 °.
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