DE2002533C3

DE2002533C3 - Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zwei Einlaßventilen je Zylinder

Info

Publication number: DE2002533C3
Application number: DE2002533A
Authority: DE
Inventors: Karl Graz Kirchweger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1969-01-24
Filing date: 1970-01-21
Publication date: 1981-05-07
Also published as: DE2002533A1; AT295932B; FR2029065A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zwei Einlaßventilen je Zylinder, die an einem gemeinsamen, im ventilnahen Bereich zwei Äste aufweisenden Einlaßkanal in Strömungsrich-•tung hintereinanderliegend angeschlossen sind, wobei die beiden Kanaläste als ausgeprägte Teilkanäle ausgebildet sind, von denen der zum weiter entfernten Einlaßventil führende Teilkanal an dem näher gelegenen Einlaßventil außen vorbeigeführt ist, wobei die beiden Teilkanäle zumindest an der Abzweigstelle etwa gleich großen Durchtrittsquerschnitt aufweisen.

Bei der Konstruktion von Zylinderköpfen dieser Art ist es schwierig, einerseits die Forderung einer möglichst strömungsgünstigen Form der Einlaßkanäle zu verwirklichen und andererseits im Ventilbereich Strömungsbedingungen 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, so daß vielfach Kompromißlösungen getroffen werden müssen, die notwendigerweise mit Leistungs- und Wirkungsgradverlusten verbunden sind.

Es ist bereits ein Zylinderkopf der eingangs genannten Bauart bekannt, bei dem der Einlaßkanal unmittelbar hinter der Anschlußstelle des Ansaugstutzens durch eine bogenförmig zu dem zwischen den Einlaßventilen gelegenen Bereich des Zylinderkopfbodens abwärts führende Zwischenwand in zwei übereinanderliegende Teilkanäle unterteilt ist, von denen der untere Teilkanal mit einer scharfen Krümmung zu dem ■-> dem Ansaugstutzen näherliegenden Einlaßventil hinabführt, wogegen der darüberliegende Teilkanal nach einer seitlichen Ablenkung im Bereich oberhalb des erstgenannten Einlaßventils mit einer gegenübsr dem ersten Teilkanal wesentlich schwächeren Krümmung ι« zum weiter entfernten zweiten Einlaßventil abwärts führt. Der Ventilführungsbutzen des ersten Einlaßventils durchsetzt dabei den obenliegenden Teilkanal, der in diesem Bereich zur Vermeidung einer Querschnittsverengung durch den Ventilbutzen eine seitliche Ausbuchtung aufweist, welche die seitliche Krümmung dieses Teilkanals wesentlich verschärft. Abgesehen von dem erheblichen Platzbedarf dieser Kanalanordnung, welche z. B. den zentralen Einbau einer Einspritzdüse zwischen dem Ein- und Auslaßkanalsystem unmöglich macht, herrschen in den beiden Teilkanälen so unterschiedliche Strömungsverhäitnisse, daß eine gleichmäßige Aufteilung der Verbrennungsluft auf die beiden Teilkanäle und übereinstimmende Austrittsverhältnisse der Luft an den beiden Einlaßventilen nicht gewährleistet sind. Da die

2) beiden Teilkanäle außerdem im unmittelbaren Ventilbereich parallel zu den Ventilachsen verlaufen, kann sich die beabsichtigte Drehströmung der Luft im Zylinder nur in unzureichendem Ausmaß ausbilden.

Es ist noch ein weiterer Zylinderkopf mit zwei

so Einlaßventilen je Zylinder bekannt, bei dem 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.

i¹) Abgesehen davon, daß der kurze Stutzen zum näher gelegenen Einlaßventil einen wesentlich kleineren Querschnitt als der zum zweiten Ventil führende Kanalast aufweist, wird die durch den Einlaßkanal einströmende Verbrennungsluft zu den Ventilen hin mit verhältnismäßig starker Krümmung abgelenkt, was im Hinblick auf das ungünstige Verhältnis zwischen Kanalbreite und Krümmungsradius an diesen Stellen zu relativ großen Strömungsverlusten führt. Die bekannte Konstruktion stellt eine Kompromißlösung dar, bei der 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 Einlaßkanals Strömungsverluste in Kauf genommen werden müssen.

Die Erfindung bezweckt nun die Vermeidung der Nachteile der bekannten Zylinderkopfkonstruktionen mit zwei Einlaßventilen je Zylinder durch die Schaffung optimaler Strömungsverhältnisse über den gesamten Weg der Verbrennungsluft vom Beginn des Ansaugkanals bis zu ihrem Eintritt in den Zylinder. Zu diesem Zweck ist, ausgehend von der eingangs genannten bekannten Zylinderkopfbauart, erfindungsgemäß vorgesehen, daß der außen vorbeigeführte Teilkanal seitlich des anderen Teilkanals angeordnet ist und daß die Teilkanäle in bekannter Weise oberhalb des Ventilsitzes je einen den Querschnitt einseitig verengenden Abdeckschirm aufweisen, dessen Innenkante symmetrisch in bezug auf die durch die Ventilachse gelegte, zu der die Ventilachse und die Zylinderachse enthaltenden Ebene normale Bezugsebene angeordnet ist. Auf Grund dieser Konstruktion ergeben sich für die beiden Teilkanäle klare und weitgehend übereinstim-

mende Stromungsverhältnisse, wie sie etwa in durch eine Zwischenwand vollständig voneinander getrennten Einlaßkanälen herrschen würden, wobei jedoch durch die Weglassung der Zwischenwand im ersten Teil der Einlaßkanalanordnung die für die Ströroungsverluste maßgebliche Wandoberfläche beträchtlich verkleinert wird. Die erfindungsgemäße Konstruktion läßt außerdem die Wahl günstiger Krümmungsradien für die beiden Teilkanäle zu, so daß schroffe Umlenkungen der im wesentlichen quer zur Zylinderachse in den Einlaßkana) eintretenden Luft gegen die Ventile hin vermieden werden. Gegenüber der an zweiter Stelle genannten bekannten Zylinderkopfausführung ergibt sich die weitere vorteilhafte Wirkung, daß es im Einlaßsystem nicht zu Verwirbelungen kommt, die sich im bekannten Fall zufolge der ungeregelten Trennung der Teilströme zwangläufig einstellen. Dadurch wird einerseits der Durchströmwiderstand verringert und ar.dererseits die Zuströmung zu den Abdeckschirmen verbessert, so daß diese wesentlich wirksam >r 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 bereits bekannt ist, vermieden, daß es nach dem jo Durchströmen der von den Abdeckschirmen gebildeten Engstelle wieder zu einem Ausfüllen des gesamten Kanalquerschnitts mit geordnet strömender Luft kommt. Dadurch ginge die auf ein einseitiges Ausströmen aus dem Ventilspalt abzielende Wirkung des J5 Abdeckschirmes in zunehmendem Maße verloren. Diese Erscheinung macht sich besonders deutlich bei kleineren und mittleren Ventilhüben bemerkbar, bei denen der Ventiispaltquerschnitt noch kleiner als der im Bereich des Abdeckschirmes freibleibende Strömungsquerschnitt ist. Bei einer Anordnung der Abdeckschirme in größerer Entfernung von den Ventilsitzen, wie dies beispielsweise bei der an zweiter Stelle genannten bekannten Bauart 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 Brennkraftmaschine kommen kann.

Im übrigen führt die an sich bekannte Lage der Abdeckschirme in bezug auf eine die Ventilachse und die Zylinderachse enthaltende Ebene zu einem besonders günstigen Wirkungsgrad der Drallerzeugung. 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.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung verläuft die Innenkante in bekannter Weise gekrümmt, z. B. nach einem Kreisbogen, dessen Mittelpunkt gegenüber der Ventilachse versetzt ist. Mit dieser Anordnung, die bei einem Zylinderkopf mit nur einem Einlaßventil je Zylinder bereits bekannt ist, erreicht man bereits bei relativ geringfügiger 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 in bekannter Weise als ringförmige Einsätze ausgebildet 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 Ausbildung der Gußkerne und bietet andererseits die Möglichkeit, an ein und demselben Zylinderkopf wahlweise Abdeckschirme verschiedener Form und Größe anzubringen. Solcherart können auch vorhandene Brennkraftmaschinen nachträglich im Sinne der Erfindung ausgerüstet werden, sofern die Form des F.inlaßkanalsystems den erfindungsgemäßen Anforderungen entspricht.

Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen teilweisen Querschnitt des Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine nach der Erfindung, Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-1I in Fig. 1 und

Fig.3 ein Schichtenlinienbild des Einlaßkanals der Brennkraftmaschine nach F i g. 1.

Der nur teilweise dargestellte Zylinderkopf 1 der wassergekühlten Brennkraftmaschine nach F i g. 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-Beiestigungsschrauben vorgesehen Eine den Zylinderkopf 1 durchsetzende, abgestufte zentrale Bohrung 7 dient, je nach Bauart der Brennkraftmaschine, zur Aufnahme einer Einspritzdüse bzw. einer Zündkerze (nicht dargestellt).

Die Besonderheit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine besteht in der 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 8 für beide Einlaßventile vorgesehen, welcher im ventilnahen Bereich in zwei Teilkanäle 9 und 10 unterteil ist. Diese Teilkanäle besitzen zumindest im Bereich ihrer in F i g. 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 Begrenzungswand 12 verläuft knapp neben der Bohrung 6 der dem letztgenannten Ventil zunächst liegenden Zylinderkopf-Befestigungsschraube.

Wie in F i g. 2 durch gestrichelte Linien hervorgehoben und aus der Schichtliniendarstellung der F i g. 3 deutlich ersichtlich, verlaufen die beiden Teilkanäle 9 und 10 von der Horizontalen mit allmählich zunehmender Krümmung abwärts zu den Ventilen, wobei schroffe Querschnittsübergänge 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 ringförmgen Einsatzes eingepaßt ist und in der sich auch der Ventilsitzring 3 befindet. Bei dem Ausführungsbeispiel verläuft die in den Querschnitt des Teilkanals 9 bzw. 10 vorstehende Innenkante 16 des Abdeckschirmes 15 gekrümmt, und zwar nach einem Kreisbogen, dessen Mittelpunkt exzentrisch in bezug auf die Ventiki hse 17 bzw. 17' des zugehörigen Einlaßventils liegt. Der Abdeckschirm 15 ist dabei symmetrisch in bezug auf eine durch die Ventilachse 17 bzw. t7' gelegte normale Bezugsebene 18 bzw. 18' zu einer die Ventilachse 17 bzw. 17'und die Zylinderachse 5 enthaltenden Ebene 19 bzw. 19' angeordnet.

Die Abdeckschirme 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 Größe der resultierenden Ausströmgeschwindigkeit der größtmögliche Drall bezüglich der Zylinderachse 5 erteilt.

Wie aus F i g. 2 ersichtlich, sind die Abdeckschirme 15 knapp oberhalb der Ventilsitzringe 3 angebracht. Wegen des geringen Abstandes der Abdeckschirme 15 von den Ventilsitzen 3 bleibt daher die ablenkende Wirkung dieser Abdeckschirme 15 vor allem auch bei kleineren und mittleren Ventilhüben, bei denen der Ventilspaltquerschnitt noch kleiner als der im Bereich des Abdeckschirmes freibleibende Strömungsquerschnitt ist, in vollem Ausmaß erhalten. Bei großen Abständen zwischen den Abdeckschirmen 15 und den zugehörigen Einlaßventilen füllt nämlich die die Engstelle passierende Luft den vollen Querschnitt des > folgenden Kanalabschnittes bis zum Ventilsitz aus, so daß die Luft über den gesamten Umfang des Ventilspaltes austritt und die ablenkende Wirkung der Abdeckschirme 15 verlorengeht.

Der genaue Verlauf des Einlaßkanals 8 mit seinen

;.. beiden Teilkanälen 9 und 10 geht aus dem Schichtenlinienbild der F i g. 3 hervor, wobei die den einzelnen Schichtenlinien beigestellten Buchstaben a bis η den in Fig. 2 eingezeichneten horizontalen Schnittebenen zugeordnet sind. Man erkennt, daß es sich bei den

!■■. beiden Teilkanälen 9 und 10 um ausgeprägte Einzelkanäle handelt, die lediglich über einen Abschnitt des Einlaßkanals 8 mit zusammenhängendem Querschnitt, also ohne Zwischenwand, ausgeführt sind. Von der Anordnung einer durchgehenden Zwischenwand, etwa

::<; im Bereich der Mittellinie 20 des Einlaßkanals 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

j, weitgehende Übereinstimmung der Strömungsverhältnisse in den beiden Teilkanälen 9 und 10 gewährleistet.

Für die Abdeckschirme sind verschiedene Ausführungsformen möglich. Sie können beispielsweise ebenso als mitgegossene Fortsätze in den Kanälen selbst als

:. auch als Fortsätze der Ventilsitzringe ausgeführt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zwei Einlaßventilen je Zylinder, die an einem gemeinsamen, im ventilnahen Bereich zwei Äste aufweisenden Einlaßkanal in Strömungsrichtung hintereinanderliegend angeschlossen sind, wobei die beiden Kanaläste als ausgeprägte Teilkanäle ausgebildet sind, von denen der zum weiter entfernten Einlaßventil führende Teilkanal an dem näher gelegenen Einlaßventil außen vorbeigeführt ist und wobei die beiden Teilkanäle zumindest an der Abzweigstelle etwa gleich großen Durchtrittsquerschnitt aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der außen vorbeigeführte Teilkanal (10) seitlich des anderen Teilkanals (9) angeordnet ist und daß die Teilkanäle (9, 10) in bekannter Weise Gberhalb des Ventilsitzes je einen den Querschnitt einseitig verengenden Abdeckschirm (15) aufweisen, dessen Innenkante (16) symmetrisch in bezug auf die durch die Ventilachse (17, 17') gelegte, zu der die Ventilachse und die Zylinderachse (5) enthaltenden Ebene (19, 19') normale Bezugsebene (18, 18') angeordnet ist.

2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenkante (16) in bekannter Weise gekrümmt verläuft, z. B. nach einem Kreisbogen, dessen Mittelpunkt gegenüber der Ventilachse (17,1 T) versetzt ist.

3. Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckschirme (15) in bekannter Weise als ringförmige Einsätze ausgebildet und zusammen mit den Ventilsitzringen (3) je in eine im Zylinderkopfboden (13) vorgesehene zylindrische Vertiefung (14) eingepaßt sind.