DE2002533A1

DE2002533A1 - Brennkraftmaschine mit zwei Einlassventilen je Zylinder

Info

Publication number: DE2002533A1
Application number: DE19702002533
Authority: DE
Inventors: Thien Dipl-Ing Gerhard; Karl Kirchweger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1969-01-24
Filing date: 1970-01-21
Publication date: 1971-02-11
Also published as: AT295932B; DE2002533C3; FR2029065A1

Description

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Dipl.Ing.Dr.Dr.n.c. Hans HST, Graz (Österreich)

Brennkraftmaschine mit zwei Einlaßventilen je Zylinder

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit zwei an einen gemeinsamen, quer zur Zylinderachse verlaufenden Einlaßkanal angeschlossenen, in Strömungsrichtung im wesentlichen hintereinander liegenden Einlaßventilen je Zylinder und mit einem oberhalb jedes Ventilsitzes angeordneten, den Kanalquerschnitt einseitig verengenden Abdeckschirm zur Erzeugung eines in bezug auf " „e Zylinderachse gleichsinnigen Dralles der über die Einlaßventile in den Zylinder einströmenden Luft.

Bei der Konstruktion von Brennkraftmaschinen dieser Art ist es schwierig, einerseits die Forderung einer möglichst strömungsgünstigen Form der Einlaßkanäle zu verwirklichen und anderseits im Ventilbereich Ströungsbedingungen zu schaffen, welche die erwünschte, für den Verbrennungsablauf maßgebliche Drehbewegung der Verbrennungsluft im Zylinder gewährleisten. Eine besondere Erschwernis ist durch die meist sehr beengten räumlichen Verhältnisse bei Mehrventil-Brennkraftmaschinen gegeben, sodaß vielfach Kompromisslösungen getroffen werden müssen, die notwendigerweise mit Leistungs- und Wirkungsgradverlusten verbunden sind.

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Eb iet eine Brennkraftmaschine der obenbezeichneten Bauart bekannt, bei welcher der Einlaßkanal nahezu mittig über das in Strömungsrichtung an erster Stelle liegende Einlaßventil bis an das hintere Einlaßventil geführt ist, wobei ein kurzer Stutzen nach unten zum näheren Ventil abzweigt. Biese Anordnung ist aber in strömungstechniacher Hinsicht ungünstig, weil die durch den Einlaßkanal einströmende Verbrennungsluft zu den Ventilen hin mit verhältnismäßig starker Krümmung abgelenkt wird, so daß durch das ungünstige Verhältnis zwischen Kanalbreite und Krümmungsradius an diesen Stellen verhältnismäßig große Strömungsverluste entstehen» Außerdem ist es schwierig, bei einer solchen Ausführung des Einlaßkanales in den nach abwärts führenden Ventilstutzen annähernd dieselben Strömungsverhältnisse zu erzielen. Die bekannte Anordnung stellt also ein typisches Beispiel für eine Kompromißlösung dar, bei welcher zwar durch die Anordnung von Abdeckschirmen vor den Einlaßventilen eine geregelte Drehbewegung der in den Zylinder einströmenden Luft erreicht wird, aber im Hinblick auf die ungünstige Formgebung des Einlaßkanales Strömungsverluste in Kauf genommen werden müssen. Solche Kanalformen werden im allgemeinen dann angewendet, wenn zwischen dem in Strömungsrichtung an erster Stelle liegenden Einlaßventil und der zunächst liegenden Zylinderkopfschraube nur ein geringer Abstand vorhanden ist.

Die Erfindung ist nun auf eine Verbesserung der bekannten Ausführung gerichtet, welche optimale Strömungsverhältnisse über den gesamten Weg der Verbrennungsluft vom Beginn des Ansaugkanales bis zu ihrem Eintritt in den Zylinder gewährleistet. Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Einlaßkanal im ventilnahen Bereich in zwei Teilkanäle mit zumindest an der Abzweigstelle etwa gleich großem Durchtrittequerschnitt verteilt ist, wobei der zum weiter entfernten Einlaßventil führende Teilkanal an dem näher gelegenen Einlaßventil außen seitlich vorbeigeführt ist, und daß die Ab-

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deck8chirme in an sich bekannter Weise nahe an die Ventilsitze herangerückt und vorzugsweise je symmetrisch in bezug auf eine durch die Ventilachse gelegte Normalebene zu einer die Ventilachse und die Zylinderachse enthaltenden Ebene angeordnet sind. Auf Grund dieser Konstruktion ergeben sich für die beiden Teilkanäle klare und weitgehend übereinstimmende Strömungsverhältnisse, wie sie etwa in durch eine Zwischenwand vollständig voneinander getrennten Einlaßkanälen herrschen würden, wobei jedoch durch die Weglassung der Zwischenwand im ersten Teil des Einlaßkanalsystems die für die Strömungsverluste maßgebliche Wandoberfläche beträchtlich verkleinert wird. Die erfindungsgemäße Konstruktion läßt außerdem die Wahl günstiger Krümmerradien für die beiden Teilkanäle zu, sodaß schr.offe Umlenkungen der im wesentlichen quer zur Zylinderachse in den Einlaßkanal eintretenden Luft gegen die Ventile hin vermieden werden.

Hinsichtlich der Erzeugung einer geregelten Drehung der in den Zylinder eintretenden Luft bietet die erfindungsgemäße Ausführung besonders günstige Voraussetzungen, da in den Teilkanälen im Bereich der Abdeckschirme geregelte und vor allem im wesentlichen übereinstimmende Strömungsverhältnisse herrschen. Dabei wird durch die Anordnung der Abdeckschirme in unmittelbarer Nähe der Ventilsitze, welche bei einem Einlaßkanalsystem abweichender Bauart bereite bekannt ist, vermieden, daß es nach dem Durchströmen der von den Abdeckschirmen gebildeten Engstelle wieder zu einem Auefüllen des gesamten Kanalquerschnittes mit geordnet strömender Luft kommt. Dadurch ginge_die auf ein einseitiges Ausströmen aus dem Ventilspalt abzielende Wirkung des Abdeckschirmee in zunehmendem Maß verloren. Diese Erscheinung macht eich besonders deutlich bei kleineren und mittleren Ventilhüben bemerkbar, bei denen der Ventilspaltquerschnitt noch kleiner als der im Bereich des Abdeckschirmes freibleibende Strömungsquerschnitt

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ist. Bei einer Anordnung der Abdeckschirme in größerer Entfernung von den Ventilsitzen, wie dies beispielsweise bei der eingangs genannten Konstruktion der Fall ist, können nämlich sehr labile Strömungszustände auftreten, welche dazu führen, daß es bereits bei sehr geringen, innerhalb der realisierbaren Toleranzen liegenden Formabweichungen der Kanäle und der Abdeckschirme zu beträchtlichen Unterschieden der Drallströmung in den verschiedenen Zylindern der Brennkraftmachine kommen kann.

Was die Lage der Abdeckschirme in bezug auf eine die Ventilachse und die Zylinderachse enthaltende Ebene betrifft, zeigt es sich, daß die nach der Erfindung bevorzugt vorgesehene Anordnung zu einem optimalen Wirkungsgrad der Drallerzeugung führt. Die normal zur Zylinderachse stehende Komponente der resultierenden Ausströmgeschwindigkeit verläuft nämlich in diesem Fall zumindest angenähert senkrecht zu der durch die Ventilachse und Zylinderachse gelegten Ebene und die in den Zylinder einströmende Luft erreicht bei gegebener Größe dieser Geschwindigkeitskomponente den größtmöglichen Drall bezüglich der Zylinderachse. Bei der an erster Stelle erwähnten bekannten Einlaßkanalanordnung sind die Abdeckschirme gegenüber dieser bevorzugten Stellung um einen kleinen Winkel nach außen verdreht, um ein stärkeres Abdrängen der Strömung an die Zylinderwand, zur Erzeugung einer sogenannten Blockdrallströmung zu erreichen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese Maßnahme weit weniger bedeutsam ist als die durch die bevorzugt angegebene Stellung der Abdeckschirme erzielbare Verbesserung des Wirkungsgrades bei der Drallerzeugung.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung- der Erfindung verläuft die in den Querschnitt des Teilkanales vorstehende Innenkante des Abdeckschirmes gekrümmt, vorzugsweise nach einem Kreisbogen dessen Mittelpunkt gegenüber der Ventilachse versetzt ist. Man erreicht damit bereits bei relativ geringfü-

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giger Verengung der Kanalquerschnitte die erwünschte Ablenkung der Verbrennungsluft im Sinne eines einseitigen Ausströmens aus den Ventilspalten.

Vorteilhafterweise können nach einem weiteren Merkmal der Erfindung die Abdeckschirme als ringförmige Einsätze ausge- , bildet und zusammen mit den Ventilsitzringen je in eine im Zylinderkopfboden vorgesehene zylindrische Vertiefung eingepaßt sein. Diese Ausführung hat einerseits gegenüber mitgegossenen Abdeckschirmen den Vorteil einer vereinfachten Ausführung der Gußkerne und bietet anderseits die Möglichkeit, an ein und demselben Zylinderkopf wahlweise Abdeckschirme -verschiedener Form und Größe anzubringen. Solcher Art können auch vorhandene Brennkraftmaschinen nachträglich im Sinne der Erfindung ausgerüstet werden, soferne die Form des Einlaßkanalsystems den erfindungsgemäßen Anforderungen entspricht.

Sie Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen teilweisen Querschnitt des Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine nach der Erfindung, Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1 und Fig. 3 ein Schichtenlinienbild des Einlaßkanales der Brennkraftmaschine nach Fig. 1. Sie Zeichnungen beschränken sich auf den erfindungswesentlichen Bereich der Brennkraftmaschine.

Der nur teilweise dargestellte Zylinderkopf 1 der wassergekühlten Brennkraftmaschine nach Fig. 1 und 2 weist je Zylinder zwei Einlaßventile auf, von denen in der Zeichnung lediglich die Bohrungen 2 für die Ventilführungen sowie die Ventilsitzringe 3 eingezeichnet sind. In der Außenwand 4 des Zylinderkopfes 1 sind in regelmäßiger Anordnung um die Zylinderachse 5 durchgehende Bohrungen 6 für die nicht dargestellten Zylinderkopf-Befestigungsschrauben vorgesehen. Eine den Zylinderkopf 1 durchsetzende, abgestufte zentrale Bohrung 7 dient, je nach Bauart der Brennkraftmaschine, zur Aufnahme

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einer Einspritzdüse bzw. einer Zündkerze (nicht dargestellt).

Die Besonderheit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine besteht in der speziellen Ausführung des Einlaßkanalsystems zur Versorgung der beiden je Zylinder vorgesehenen Einlaßventile. Zu diesem Zweck ist jeweils ein im wesentlichen quer zur Zylinderachse 5 verlaufender gemeinsamer Einlaßkanal θ für beide Einlaßventile vorgesehen, welcher im ventilnahen Bereich in zwei Teilkanäle 9 und 10 untergeteilt ist. Diese Teilkanäle besitzen zumindest im Bereich ihrer in Fig. 2 mit 11 bezeichneten Abzweigstelle etwa gleich große Durchtrittsquerschnitte. Der zu dem in Strömungsrichtung entfernter gelegenen Einlaßventil führende Teilkanal 10 ist dabei an dem näher gelegenen Einlaßventil außen seitlich vorbeigeführt und seine äußere Begrenzungewand 12 verläuft knapp neben der Bohrung 6 der dem letztgenannten Ventil zunächst liegenden Zylinderkopfschraube.

Wie in Fig. 2 durch gestrichelte Linien hervorgehoben und aus der Schichtliniendarstellung der Fig. 3 deutlich ersichtlich, verlaufen die beiden Teilkanäle 9 und 10 von der Horizontalen mit allmählich zunehmender Krümmung nach abwärts zu den Ventilen» wobei schroffe QuerschnittsUbergänge und Knickstellen vermieden sind, so daß sich sehr geringe Strömungswiderstände ergeben. An der Ausmündung der Teilkanäle 9 und 10 ist im Zylinderkopfboden 13 jeweils eine zylindrische Vertiefung 14 vorgesehen, in welche ein Abdeckschirm 15 in Form eines ringförmigen Einsatzes eingepaßt ist und in der sich auch der Ventilsitzring 3 befindet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel verläuft die in den Querschnitt des Teilkanal es 9 bzw. 10 vorstehende Innenkante 16 des Abdeckschirmes gekrümmt, und zwar nach einem Kreisbogen, dessen Mittelpunkt exzentrisch in bezug auf die Achse 17 bzw. 17* des zugehörigen Einlaßventils liegt. Der Abdeckeohirm 15 ist dabei symmetrisch in bezug auf eine durch die Ventilachse 17 bzw.

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17* gelegte Normalebene 18 bzw. 18' zu einer die Ventilachse 17 bzw. 17* und die Zylinderachse 5 enthaltenden Ebene 19 bzw. 19* angeordnet.

Die Abdecksehirme 15 haben die Aufgabe, ein einseitiges Ausströmen der über die Teilkanäle 9 und 10 zuströmenden Luft aus den Ventilspalten zu erzwingen. Der Vektor der resultierenden Ausströmgeschwindigkeit erhält dadurch eine Richtung, welche auf die Projektion der durch die Ventilachse 17 bzw. 17* und die Zylinderachse 5 hindurchgehenden Ebene 19 bzw. 19* zumindest annähernd senkrecht steht. Der in den Zylinder einströmenden Luft wird daher bei gegebener. örö-Se der resultierenden Ausströmgeschwindigkeit der größtmögliche Drall bezüglich der Zylinderachse erteilt.

Wie aus fig. 2 ersichtlich, sind die Abdeckschirme 15 knapp oberhalb der Ventileitzringe 3 angebracht. Wegen der geringen Distanz der Abdeckschirme 15 von den Ventilsitzen bleibt daher die ablenkende Wirkung dieser Schirme Tor allem auch bei kleineren und mittleren Ventilhüben, bei denen der Ventilspaltquerschnitt no^h kleiner als der im Bereich des Abdeckschirmes freibleibende Strömungsquerschnitt ist, in vollem Ausmaß erhalten. Bei großen Abständen zwischen den Abdeckschirmen und den zugehörigen Ventilen füllt nämlich die die EngBtelle passierende Luft den vollen Querschnitt des folgenden Kanalabschnittes bis zum Ventilsitz aus, sodaß die Luft praktisch über den gesamten umfang des Ventilspaltes austritt und die ablenkende Wirkung der Abdeckschirme verloren geht.

Der genaue Verlauf des Binlaßkanales 8 mit seinen beiden Teilkanälen 9 und 10 geht aus dem Schichtenlinienbild der Pig. 3 hervor, wobei die den einzelnen Schichtenlinien beigestellten Buchstaben a - η den in Pig. 2 eingezeichneten horizontalen Schnittebenen zugeordnet sind. Man erkennt, daß es sich bei den beiden Teilkanälen 9 und 10 um ausgeprägte Ein-

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zelkanäle handelt, die lediglich über einen Abschnitt des Einlaßkanales 8 mit zusammenhängendem Querschnitt, also ohne Zwischenwand, auegeführt sind. Von der Anordnung einer durchgehenden Zwischenwand, etwa im Bereich der Mittellinie 20 des Einlaßkanalee 8 wurde aber abgesehen, damit die für den Strömungswiderstand maßgebliche Wandoberfläche nicht vergrößert wird. Durch die besondere Formgebung der Kanäle ist aber auch ohne Anordnung einer Zwischenwand eine weitgehende Übereinstimmung der Strömungsverhältnisse in den beiden Teilkanälen 9 und 10 gewährleistet.

Sie Erfindung beschränkt sich nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel. So sind insbesondere je nach Fall verschiedene Ausführungsformen der Abdeckschirme möglich. Diese können sowohl als mitgegossene Fortsätze in den Kanälen selbst als auch als Fortsätze beispielsweise der Ventilsitzringe ausgeführt werden. Ebenso bestehen hinsichtlich der Formgebung der wirksamen Innenkante der Abdeckschirme keine besonderen Beschränkungen.

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Claims

Patentansprüche :

Brennkraftmaschine mit zwei an einen gemeinsamen, quer zur Zylinderachse verlaufenden Einlaßkanal angeschlossenen, in Strömungsrichtung im wesentlichen hintereinander liegenden Einlaßventilen je Zylinder und mit einem oberhalb jedes Ventilsitzes angeordneten, den Kanalquerschnitt einseitig verengenden Abdeckschirm zur Erzeugung eines in bezug auf die Zylinderachse gleichsinnigen Dralles der über die Einlaßventile in den Zylinder einströmenden Luft, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßkanal (8) im ventilnahen Bereich in zwei Teilkanäle (9,10) mit zumindest an der Abzweigstelle (11) etwa gleich großem Durchtrittsquerschnitt unterteilt ist, wobei der zum weiter entfernten Einlaßventil führende Teilkanal (10) an dem näher gelegenen Einlaßventil außen seitlich vorbeigeführt ist, und daß die Abdeckschirme (15) in an sich bekannter Weise nahe an die Ventilsitze (3) herangerückt und vorzugsweise je symmetrisch in bezug auf eine durch die Ventilachse (17,17') gelegte Normalebene (18,18») zu einer die Ventilachse (17,17') und die Zylinderachse (5) enthaltenden Ebene (19,19') angeordnet sind.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Querschnitt des Teilkanales (9,10) vorstehende Innenkante (16) des Abdeckschirmes (15) gekrümmt verläuft, vorzugsweise nach einem Kreisbogen, dessen Mittelpunkt gegenüber der Ventilachse (17,17') versetzt ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckschirme (15) als ringförmige Einsätze ausgebildet und zusammen mit den Ventilsitzringen (3) je in eine im Zylinderkopfboden (13) vorgesehene zylindrische Vertiefung (H) eingepaßt sind.

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