DE2122942B2 - Zylinderkopf einer Kolbenbrennkraftmaschine mit einem drallerzeugend in eine Einlaßventilkammer einmündenden Einlaßkanal - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiger Zylinderkopf ist bekannt aus der DE-AS 10 38 832 oder den beiden hierzu zusätzlichen DE-AS 10 44 513 und DE-PS 44 514; alle drei Schriften zeigen praktisch identische Kanalformen.

Die praktische Erfahrung zeigt, daß im allgemeinen bei festem Verhältnis zwischen Kraftstoffeinspritzpumpen- und Brennkraftmaschinen-Drehzahl bei größter Kraftstoffeinspritzmenge eine Verbrennung mit hohem Wirkungsgrad nur dann eintritt, wenn der Drehwinkel "> der Luftladung während der Kraftstoffeinspritzdauer einen bestimmten konstanten Wert erreicht. Es ist zu erwarten, daß die Kraftstoffeinspritzdauer sich umgekehrt proportional zur Drehzahl der Brennkraftmaschine ändert. Dies ist jedoch nicht der Fall, weil näinlich bei zunehmender Drehzahl die Einspritzdauer infolge Kompressibilitätseffekten des Einspritzsystems einschließlich des Kraftstoffes selbst etc. weniger abnimmt, als man dies erwarten würde. Die praktische Erfahrung zeigt in diesem Sinne, daß der Einspritzwinkel, das ist

'^r> die während der Einspritzdauer stattgefundene Drehung der Kraftstoffeinspritzpumpen- bzw. der Brcnnkraftmaschinenwelle, mit steigender Brennkraftmaschinendrehzahl ansteigt. Deshalb muß die mittlere Drehgeschwindigkeit der Zylinderfüllung weniger

schnell zunehmen als die Motordrehzahl, um dem größeren Kurbelwinkel für die Einspritzung Rechnung zu tragen. Nur so kann der mit steigender Drehzahl immer mehr nachhinkenden Einspritzdauer (in Winkelgraden gemessen) begegnet werden.

-"> Die eingangs genannten drei Druckschriften zeigen eine ganze Reihe von Konstruktionen zur Beeinflussung des Dralls. So zeigt <!ie DE-AS 10 44 51J die Anordnung von Umlenkschirmen an den Einlaßventilen. Die Lage dieser Umlenkschirme wird abhängig von der Drehzahl

·'· der Brennkraftmaschine verändert. Neoen dem Nachteil der wegen hohen Durchflußwiderstandes der Schirme verschlechterten Füllung des Arbeitszylinders ist der bauliche Aufwand zur Veränderung ihrer Lage während des Betriebes sehr groß.

·"> Einen anderen Lösungsvorschlag zeigt die DE-AS 10 44 514, nämlich ein Drallregelorgan am Beginn des Einlaßkanals, und dieses Rcgelorgan wird beim Kaltstart automatisch betätigt und beeinflußt die Drehbewegung der Zylinderfüilun?;. Auch hier ergibt

sich der Nachteil der reduzierten Zylinderfüllung wegen zusätzlichen Widerstands im Einlaßkanal, der sich besonders bei hoher Motordrehzahl und hohen Luflgeschwindigkeiten bemerkbar macht. Außerdem erfordern solche Regclorgane zu ihrer Betätigung einen

4^r> erheblichen Aufwand und haben deshalb in die Praxis kaum Eingang gefunden. Eine ähnliche Konstruklion mit einem Drallzersiörcr auf der Saugscitc des Einlaßkanals zeigt die DE-AS 12 11 438.

Ferner wurde bereits vorgeschlagen, mit einem

w elastischen Glied in der Einlaßkanalwnnd die Beaufschlagung des Kanals und damit den Zustrom /u den Ventilen und die Anfachung der Drehströmung der Zylinderfüllung drehzahlabhängig zu steuern. Diese Maßnahme vermeidet wohl zusätzlichen Kanalwider-

« stand, stellt aber erhebliche Anforderungen an die Herstellung und Haltbarkeit des elastischen Gliedes.

Der Vorschlag des älteren Patents 20 12 436 betrifft die Erzeugung einer Strömungsablösekante im Einlaßkanal mittels spanabhebender Bearbeitung. Die hierbei

w> erzeugte scharfe Kante soll einen — unerwünschten — Gegendrall nach Möglichkeil vermeiden und dadurch die Drallgeschwindigkeit im Zylinder um ca. 10% erhöhen. Dies widerspricht aber der eingangs erläuterten Forderung der optimalen Anpassung an der

f>5 verlängerten Einspritzwinkel bei höheren Drehzahlen.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, bei guter Zylinderfüllung über den ganzen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine die Drehbewegung der Zylinder-

füllung bei tiefen Motordrehzahlen verhältnismäßig stärker als bei hohen Motordrehzahlen anzufachen, um eine möglichst rauchfreie Verbrennung zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung gelöst durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen. Man erreicht so bei niedriger Motordrehzahl eine stärkere Strömungsablösung und dadurch eine größere Verdrängung der Strömung an die Kanal-Außenwand als bei höheren Drehzahlen, so daß bei niedrigen Drehzahlen eine drallreichere Strömung im Zylinder-Arbe'!i>raum angefleht wird als bei höheren Drehzahlen. Dies wird erreicht ohne Erhöhung des Kanalwiderstands und ohne komplizierte bewegliche Teile.

Die Erfindung weiter ausgestaltende Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen, und ihre Wirkungen und Vorteile werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Die Zeichnung gibt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wieder.

Es zeigt in rein schematischer Darstellung

F i g. 1 einen Ausschnitt aus einem Zylinderkopf einer Kolbenbrennkraftmaschine mit Lufteinlaß'/anal, im Axialschnitt gemäß Linie l-l der F i g. 2,

Fig.2 einen Schnitt durch den Zylinderkopf nach Linie U-II der Fig. 1,

Fig. 3 einen günstigen Verlauf des Kanalquerschnittes des Lufteinlaßkanals über die abgewickelte Luftkanallänge aufgetragen,

Fig.4 einen günstigen Verlauf der Kanalkrümmung des Lufteinlaßkanals im Schnitt gerräß Fig. 2, über die Luftkanallänge aufgetragen.

Fig.5 eine Darstellung analog Fig. 2, mit dem Geschwindigkeitsprofil der einströmenden Verbrennungsluft in einem dem Querschnitt des Ablösungsbeginns unmittelbar folgenden Querschnitt bei geringer Motordrehzahl,

Fig.6 eine Darstellung analog Fig. 2 bei höherer Motordrehzahl.

In den F i g. 1 und 2 ist ein Ausschnitt 1 aus einem Zylinderkopf einer Kolbenbrennkraftmaschine mit einem (nur teilweise dargestellten) Arbeitsraum 3 und einem Lufteinlaßkanal 5 dargestellt. Dieser Kanal 5 beginnt am Einlaufquerschnitt 6. Er endet am Einmündungsquerschnitt 17 und mündet in eine Ventilkammer 7, deren freier Durchströmquerschnitt 15 durch ein Einlaßvent'l 9 mit oinem Ventilsitz 10 gesteuert wird. Das Einlaßventil 9 schließt zu entsprechenden Zeiten eine Lufteinlaßöffnung 11, welche von der Ventilkammer 7 in den Arbeitsraum 3 führt. In den F i g. I und 2 ist ferner die Zylinderachse O dargestellt. Der Liifteinlaßkanal 5 weist eine der Zylinderachse 13 näher gelegene Innenwand 19 und eine entferntere Außenwand 21 auf. Die Achse des Lufteinlaßkanals 5 ist mit 22 bezeichnet. Sein engster Querschnitt 25 stellt das Ende einer Anlaufstrecke 27 zwischen dem Einlaufquerschnitt 6 und dem engsten Querschnitt 25 dar. In den Figuren ist ferner die Zylinderwand 23 angedeutet.

In Fig. 3 ist ein günstiger Querschnittsverlauf des Einlaßkanals längs der abgewickelter. Kanallänge aufgetragen. Sie zeigt, daß vom Einlaufquerschnitt 6 an und bis zum engsten Querschnitt 25 der Querschnitt sich stetig verjüngt und anschließend wieder zunimmt.

F i g. 4 zeigt einen günstigen Krümmungsverlauf einer Erzeugenden der Einlaßkanalinnenwand längs der abgewickelten Kanallänge aufgetragen. Die Krümmung nimmt stetig zu und gilt als positiv, wenn die Krümmungsmittelpunk'e auf der gleichen Einlaßkanalseite liegen wie die Zylinderachse 13. Dies ist

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vorzugsweise auf einer Kanallänge von mindestens dem einfachen äquivalenten engsten Kanaldurchmesser der Fall. Im Kanalquerschniit 26 ist die Krümmung maximal, im Querschnitt 28 wird sie unstetig.

F i g. 5 zeigt den Lufteinlaßkanal 5, dargestellt gemäß F i g. 2, mit dem Geschwindigkeitsverlauf 30 über einem dem Querschnitt 28 folgenden Querschnitt und der Ablösungszone 32 sowie den schematisch gezeichneten Wirbelballen 33.

Fig.ö zeigt ein analoges Geschwindigkeitsprofil 35 bei höherer Motordrehzahl, bei welcher die Ablösungszone 37 mit den Wirbelballen 38 merklich kleiner geworden isi.

Bekanntlich bewirkt eine Querschnittserweiterung (engster Querschnitt 25) in einer gekrümmten Strömung nach einer Stelle stärkster Krümmung (Querschnitt 26) Strömungsablösungen 37 von der meistgekrümmten Wand 19, sobald die Querschnittserweiterung eine gewisse Größe erreicht. Die Stärke der Ablösung ist dabei vom Maß der Kanal-Erweitening in Strömungsrichtung abhängig. |e größer diese iü, umso ausgeprägter wird die Ablösung.

Je größer die Ablösungszone (Fig.5 und 6), umso stärker verdrängt diese die Grundströmung in Richtung der der meistgekrümmten Wand 19 gegenüberliegenden Wu.id 21 des Einlaßkanals 5.

Damit verbunden ist eine entsprechende Geschwindigkeitszunahme und eine Verlagerung der Massenstromdichte an die Außenwand 21. Die Zuströmung der Luft zur Ventilkammer 7 wird daher auf dieser Kanalseite 21 intensiviert. Entsprechend verlagert sich der Massenstrom in der Ventilkammer 7 und durch den Durchströmquerschnitt 15, womit der die Drehung der Luftiadung anfachende Luftstrom wegen der voraussetzungsgemäßen Anordnung der Ventilkammer 7 seinen Abstand von der Zylinderachse 13 vergrößert.

Bei höherer Brennkraftmaschinendrehzahl (Fig. 6) erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit im Lufteinlaßkanal 5 und die Ablösungszone 37 wird kleiner. Die Grundströmung wird weniger gegen die Wand 21 verdrängt und der Zustrom der Luft der Ventilkammer 7 wird gleichmäßiger, womit sich der die Rotation der Luftladung anfachende Luftstrom gegen die Zylinderachse 13 hin verlagert.

Durch Schaffung einer Ablösungszone 32 bzw. 37 in der Luftströmung von der Einmündung des Lufteinlaßkanals 5 in die Ventilkammer 7 wird eine selbstregulierende Anpassung der Luftladungsdrehgeschwindigkeit im Arbeitszylinder an die sich mit der Brennkraftmaschinendrehzahl naturgemäß verändernden Brennstoffeinspritzverhältniss*.' bewerkstelligt. Je geringer mithin die Einströmgeschwindigkeit in kritischen engsten Querschnitt 25 des Lufteinlaßkanals 5 ist, umso stärker is', die Ablösung ausgebildet und umso mehr wird das Geschwindigkeitsprofil im Sinne von Fig. 5 verändert, <J. h. die schnellere Strömung in die außenwandnahen Schichten verlegt. Es ist dies ein Phänomen, welches beispielsweise aus den Angaben im Lehrbuch von L. Prandtl. »Führer durch die Strömungslehre«, 6. Auflage 1965, Seite 203, Bild 4/29, Abschnitt 4.8 (Strömungsablösung und Wirbelbildung) ableitbar ist und im vorliegenden Falle dazu dient, die Winkelgeschwindigkeit der Zylinderfüllung mit zunehmender Motordrehzahl und entsprechender Zunahme der Geschwindigkeit der Luft im Einlaß'-.anal 5 weniger schnell als die Motordrehzahl zunehmen zu lassen, womit die Anpassung an die länger werdenden Einspritzwinkel gegeben ist. Die Rückbildunn der Ablösezone mit wachsender

Geschwindigkeit bewirkt auch bei hoher Motordrehzahl eine entsprechend verlangsamte Zunahme der Strömungsvcrlustc des Einlaßkanals 5 und eine gute Füllung des Arbeitsraumes 3 des Zylinders.

Eine Sirömungsablösung tritt ein, wenn eine Quer- ■ schnittserweiterung des Kanals in Strömlingsrichtung im Betrage von mindestens 2% vorliegt. Es ist vorteilhaft, die Querschnittserweiterung (Querschnitt 25) in unmittelbarer Nähe, aber stromabwärts der Stelle stärkster Krümmung (Querschnitt 26) der zylinderachs- i' nahen Kanalwand 19 beginnen zu lassen, wobei eine bevorzugte Lage des engsten Kanalqucrschnittcs diejenige der Stelle stärkster Krümmung ist.

Die Wirkung der Strömungsablösiing entspricht den Anforderungen am ehesten, wenn der Absland der r engsten Kanalstclle 25 vom Einmündungsquersehnitt 17 etwa dem halben äquivalenten kleinsten Kanaldurchmesser gleichkommt. Es hat sich ferner als zweckmäßig erwiesen, die Bekannte strömungstechnischc Erfahrung der örtlichen Ablösung einer Grenzschicht am One unstetiger Kriimmungsändcrung (Querschnitt 28) zur Erzwingung der Strömungsablösung unmittelbar nach dem engsten Querschnitt 25 bzw. in dessen unmittelbarem Bereich zu benützen. Dabei ist es zweckmäßig, um jegliche entgegengesetzt zur Hauptdrchrichiiing der Luftladung gerichtete Teilströmung im Arbeitszylinder zu vermeiden, die in der Tangente an der zylindcrachsnäheren Kanalwand 19 an der Ablösungsstelle fiktiv verlängerten Kanalumrißlinien /wischen tier Ventilachsc 9 und der Arbeitszylinderachsc Π verlaufen /u lassen Gleich wirksam wie eine unstetige Krümmungsänderimg ist eine unstetige Querschnittsänderung.

Die beschriebene Ausführung eignet sich insbesondere für nach dem Dicselprinzip arbeitende Verbrennungsmotoren.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Zylinderkopf einer Kolbenbrennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, mit einem strömungsrichtungsändernd und drallerzeugend in eine Einlaßventilkammer einmündenden EinlaQkanal, dessen der Zylinderachse zugewandter Teil der Innenwand nahe dem Einmündungsquerschnitt einen Bereich mit starker konvexer Krümmung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Bereich, in dem der engste Querschnitt (25) des Einlaßkanals (5) liegt, eine eine Strömungsablösung (32, 37) von mit Maschinendrehzahlabnahme zunehmender Stärke verursachende Stelle (Zone 25 bis 28) aufweist, wobei der von dieser Stelle bis zum Einmündungsquerschniit (17) gemessene Innenwandlängenabschnitt nicht größer ist als der Radius des dem engsten Querschnitt (25) des Einlaßkanals (5) flächengleichen Kreises.

2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eint: auf dem genannten Innenwandlängenabschnitt vorgesehene Querschnittserweiterung in Strömungsrichtung.

3. Zylinderkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Strömungsablösung verursachende Stelle (25) durch den engsten Querschnitt (25) des Einlaßkanals definiert ist und daß die Querschnitlserweitcrung auf einer dem Radius des dem engsten Querschnitt flächengleichen Kreises entsprechenden Strecke mindestens 2% beträgt.

4. Zylinderkopf nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die ά.- .Strömungsablösung verursachende Stelle (28) durch eine unstetige Krümmungsänderung(Fi g. 4;.t )definiert ist.

5. Zylinderkopf nach Anspruch 4 und mindestens einem der Ansprüche 2 oder Z, dadurch gekennzeichnet, daß der an der Stelle größter Krümmung (Fig.4; 26) der zylinderachsnahen Innenwand (19) vorhandene Kanalquerschnitt (26) und der engste Kanalquerschnitt (25) etwa an derselben Stelle liegen und vorzugsweise identisch sind.

6. Zylinderkopf nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einem vorzugsweise zwischen dem engsten Kanalquerschnitt (25) und der Ventilkammer (7) liegenden Abschniit des Einlaßkanals (5) die Krümmung seiner zylinderachsnahen Innenwand (19) unstetig (28) von einem höheren auf einen tieferen Wert springt.

7. Zylinderkopf nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an der die Strömungsablösung verursachenden Stelle (25; 28) an die zylinderachsnahe Innenwand (19) des Einlaßkanals (5) in der Grundrißdarstellung dieses Kanals (5) gezogene Tangente zwischen der Achse des Ventils (9) und der Zylinderachse (13) verläuft.