DE3347518A1

DE3347518A1 - Einlasskanal im zylinderkopf einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3347518A1
Application number: DE19833347518
Authority: DE
Inventors: Jordan Dipl.-Ing. 8900 Augsburg Gentscheff; Horst Dipl.-Ing. 8935 Fischach Lindner
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Priority date: 1983-12-30
Filing date: 1983-12-30
Publication date: 1985-07-18
Also published as: JPH0543844B2; ES538901A1; JPS60156915A; FI845127L; FR2557637A1; FR2557637B1; DE3347518C2; FI845127A0

Description

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Einlaßkanal im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft einen durch den Ventilteller eines Einlaßventiles auf- und zusteuerbaren Einlaßkanal im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, mit Einzelmerkmalen, wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben.

Um die Form eines solchen bekannten, in Brennkraftmaschinen des TyDs 40/54 der Anmelderin verwendeten Einlaßkanales erläutern zu können, ist dieser in Fig.1 der Zeichnung dargestellt. Hieraus ist ersichtlich, daß das brennraumseitige Ende des durch den Ventilteller eines Einlaßventiles auf- und zusteuerbaren Einlaßkanales durch ein den Kanalquerschnitt etwas verengendes Kanalteilstück mit strömungsgünstig gestalteter Wandung gebildet ist. Dieses Kanalteilstück verengt sich zunächst, um sich dann jedoch von der engsten Kanalquerschnittsstelle ausgehend wieder bis zu einer kegligen Ventilsitzfläche hin zu erweitern. Dabei bildet der sich von der engsten Kannlquerschnittsstelle aus wieder erweiternde und an der kegligen Ventilsitzfläche endende Wandabschnitt zusammen mit der Rückseite des Einlaßventiltellers eine spitzwinklige Einlaßdüse.

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Diese Einlaßdüse ist symmetrisch gestaltet, d.h. ihr Einlaßwinkel cjC ist über den gesamten Umfang des Einlaßventiles gesehen überall gleich groß. Durch diese symmetrische Einlaßdüse ist der in den Zylinder einströmenden Luft in vorteilhafter Weise eine erhöhte Geschwindigkeit aufprägbar. Eine Drallbewegung aber ist der in den Zylinder einströmenden Luft durch eine solche Einlaßdüse jedoch nicht aufprägbar. Darüber hinaus ist es auch meist erforderlich, der in den Zylinder einströmenden Luft eine Richtungs- und Beschleunigungskomponente aufzuprägen, um die Zylinderfüllung in eine zur Zylinderachse rotierende Bewegung zu versetzen, mit dem Zweck, eine möglichst innige Vermischung der Luft mit dem einzuspritzenden Brennstoff zu erzielen. Auch dies ist mit der bekannten symmetrischen Düse nicht möglich. Für diesen Zweck wurden bei anderen bekannten Lösungen im Einlaßkanal speziell gestaltete Einbauten, wie Prall- oder Umlenkbleche, vorgesehen, durch die vorbeiströmende Luft durchaus hinreichend verwirbelt wurde. Diese Prall- oder Umlenkbleche verursachten jedoch einen ganz erheblichen Strömungsenergieverlust, so daß innerhalb des Zylinders keine ausgeprägte Drallkomponente mehr vorhanden war. Dem Zylinder war mithin zwar verwirbelte Luft, jedoch nicht Luft mit einer bestimmten Richtungskomponente zuführbar, die in der Lage gewesen wäre, der Zylinderfüllung eine 'ausreichend rotierende Drallbewequng aufzuprägen. Im übrigen ist auch schon versucht worden, durch spezielle Formgebung der Einlaßkanalwand der durchströmenden Luft eine solehe Bewegungskomponente aufzuprägen, daß diese möglichst tangential gerichtet zur Zylinderwand in den Zylinder einströmen kann, siehe beispielsweise DE-AS 1 053 862, DE-AS 1 038 832 oder DE-AS 1 476 120. Diese Lösungen bedingen jedoch eine Kanalführung im Zylinderkopf, die aus Platzgründen an Maschinen meist nicht realisierbar ist.

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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Einlaßkanal der eingangs definierten Art so auszubilden, daß die in den Zylinder der Brennkraftmaschine einströmende Luft nur mit minimalen Energieverlusten und derart umlenkbar ist, daß die Zylinderfüllung eine Drehung um die Zylinderachse mit gleichzeitiger Verwirbelung aufgezwungen bekommt.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch einen Einlaßkanal ο mit der im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Form gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet .

Bei einer derartigen Ausbildung des Einlaßkanals wird die Luft beim Eintritt in den Zylinder nicht nur beschleunigt, sondern diese gleichzeitig auch gezielt umgelenkt und dies zudem mit minimalen Strömungsverlusten. Letzteres deshalb, weil bei der erfindungsgemäßen Gestaltung des Einlaßkanales darauf geachtet wurde, daß der Einlaßkanal in allen Bereichen strömungsgünstig gestaltet ist. Die erfindungsgemäßen Vorteile werden praktisch durch ein unmittelbar vor der Ventilsitzfläche erzeugtes Druckgefälle zwischen einem Umfangsbereich des einlaßventilseitig freigegebenen Durchlaßspaltes und dem übrigen Umfangsbereich erzielt, wobei auf der Seite jenes Umf angsbereiches mit dem niedrigeren Druck der durch den Durchlaßspalt durchströmenden Luft eine höhere Geschwindigkeitskomponente aufgeprägt wird, welche praktisch tangential zur Wand des Zylinders gerichtet ist und so der Zylinderfüllung eine um die Zylinderachse gerichtete Drallbewegung aufprägt . Für die Verwirbelung dieser im Zylinder befindlichen Luftmassen sorgen jene Luftströme, die den Durchlaßspalt in jenem Bereich durchdringen, in dem ein niedrigerer Druck und eine niedrigere St r ömunqr.rje.'irliw ι nrJ i qk<· ι ι rjf-ji ·Ι>ι·π .·; i nd .

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Nachstehend sind mehrere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Einlaßkanales anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig.1: einen Schnitt durch einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine bekannter Bauart, mit einem Einlaßkanal, der in seinen charakteristischen Merkmalen bereits in der Beschreibungseinleitung diskutiert wurde.

Fig.2, 3 und 4: Je einen Schnitt durch einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit einem nach der Erfindung gestalteten Einlaßkanal.

Der in Fig.1 aufgezeigte Zylinderkopf mit seinem Einlaßkanal bekannter Bauart soll lediglich als Vergleichsbasis dienen und helfen, die Unterschiede zwischen der erfindungsgemäßen Einlaßkanalform und der bekannten Einlaßkanalform deutlich zu machen. Dabei sind in den Darstellungen der Figuren 1 bis 4 bis auf den erfindungsqemäß unterschiedlich gestalteten Einlaßkanalabschnitt alle anderen Teile gleich, so daß ein unmittelbarer Vergleich zwischen der bekannten Lösung gemäß Fig.1 und den erfindungsgemäßen Lösungen gemäß Fig.2, 3 und 4 möglich ist.

In den die erfindungsgemäße Einlaßkanalform aufzeigenden Figuren 2, 3 und 4 sind gleiche Teile mit gleichem Bezugszeichen angezogen.

In den Figuren 2, 3 und 4 sind mit 1 insgesamt ein Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine und mit 2 insgesamt ein Einlaßkanal bezeichnet. Letzterer ist durch den Ventilteller 3 eines mit seinem Schaft 4 im Zylinderkopf 1

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geführten Einlaßventiles 5 auf- und zusteuerbar. Jene Position, in der sich das Einlaßventil 5 in Öffnungsstellung befindet und damit der Einlaßkanal 2 aufgesteuert ist , ist in den Figuren gestrichelt dargestellt. In dieser Öffnungsstellung ist durch das Einlaßventil 5 ein ringförmiger Durchlaßspalt freigegeben, durch den Luft aus dem Einlaßkanal 2 in Richtung der Pfeile in den zugehörigen Zylinder der Brennkraftmaschine einströmen kann. Der Einlaßkanal 2 ist im Zylinderkopf durch eine Wand 6 begrenzt. Der Einlaßkanal 2 ist in seinem brennraumseitigen Endbereich durch ein den Kanalquerschnitt etwas verengendes, sich bis zu einer strichpunktierten Hilfslinie 7 erstreckendes Kanalteilstück 2/1 und ein sich daran anschließendes Kanalteilstück 2/2 gebildet. Dieses Kanalteilstück 2/2 erweitert sich, ausgehend von der engsten Kanalquerschnittsebene, die in der Zeichnung durch die Hilfslinie 7 markiert ist, wieder zunehmend bis hin zu einer kegligen Ventilsitzfläche 8. Durch den sich in spezieller Form erweiternden Wandabschnitt des Kanalteilstückes 2/2 und die Ventiltellerrückseite 9 ist so eine spitzwinklige, unsymmetrische Einlaßdüse 10 gebildet.

Um das Charakteristische der erfindungsgemäßen Einlaßkanalform zu verstehen, sei zunächst noch einmal auf die bekannte Einlaßkanalform gemäß Fig. 1 verwiesen. Der bekannte Einlaßkanal besitzt, wie bereits ausgeführt, auch schon eine spitzwinklige Einlaßdüse, die aber, weil sich deren Einlaßwinkel OC infolge symmetrischer Ausbildung des unmittelbar vor der Ventilsitzfläche gelegenen Einlaßkanalwandabschnittes über den ganzen Umfang des Einlaßventiles gesehen nicht ändert, symmetrisch ist; letzteres hat zur Folge, daß bei offenem Einlaßventil die den dann gegebenen Durchlaßspalt durchströmende Luft am gesamten Umfang des Ventiltellers eine gleich hohe Geschwindigkeit besitzt

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und außerdem mit rinqsum gleichem Winkel zur Einlaßventilachse in den Zylinder eintritt, d.h. die Luftmenqen werden nur beschleunigt aber nicht umqelenkt.

Bei der erfindungsgemäßen Einlaßkanalform dagegen liegt die engste, durch die strichpunktierte Hilfslinie 7 markierte Kanalquerschnittsebene des sich verengenden Kanalteilstückes 2/1 exzentrisch hinter dem Ventilteller des Einlaßventiles 5 und erstreckt sich vorzugsweise etwa iⁿ Höhe des Überganges vom Ventilschaft 4 zum Ventilteller 3 des Einlaßventiles 5.Zu dieser engsten Kanalquerschnittsebene führt der Einlaßkanal 2 ausgehend von seiner größten Querschnittsebene sich querschnittsmäßig verjüngend sowie unsymmetrisch bezüglich der Einlaßventilachse verlaufend hin. Von dieser engsten Kanalquerschnittsebene ausgehend erweitert sich der Einlaßkanal· 2 mit seinem Kanaiteilstück 2/2 wieder unsymmetrisch zunehmend zur Ventilsitzflache 8 hin. Die Form dieses Kanalteilstückes 2/2 ist mit Worten schwierig zu beschreiben; man kann ihm etwa die Form eines gekrümmten Trompetenrohres zuweisen. Durch einen Einlaßkanal· 2 mit dieser Form ergibt sich eine exzentrisch wirksame Düse 10, in der nach Öffnen des Einlaßventiles Luft beim Durchströmen des dann gegebenen Durchlafispa^es in einem Umfangsbereich des letzteren stärker beschleunigbar ist als im restlichen Durchlaßspal·t-Umfangsbereich. Der Einiaßwinkel· p dieser exzentrisch wirksamen Düse ist dabei in jenem Umfangsbereich des Einlaßventiles 5 am klein-■ sten, der auf jener Seite liegt, nach der in den Zylinder einströmende Luft, um der Zylinderfüllung eine um die Zylinderachse kreisende Bewegung aufzuprägen, stärker als im übrigen Umfangsbereich beschleunigt werden soll·.

Aus den Figuren 2, 3 und 4 sind drei verschiedene Einlaßkanalformen, die der erfindungsgemäßen Geometrie gehorchen, ersichtlich. Dabei unterscheiden sich diese

Einlaßkanalformen im wesentlichen nur im Kanalteilstück 2/2, also dem sich von der enqsten Kanalquerschnittsebene ausgehend zur Ventilsitzfläche S hin nach Art eines gekrümmten Trompetenrohres erweiternden Kanalteilstück. Die erfindungsqemäße Einlaßkanalform kann sowohl bei ventilsitzringlosen Einlaßkanälen, als auch bei Einlaßkanälen mit gekühlten oder ungekühlten Ventilsitzringen anqewandt werden. Die erfindungsgemäße Form des Einlaßkanales kann dabei durch Gießen oder Schmieden ο der endgültigen Form oder durch Gießen oder Schmieden und anschließende, spanabhebende Nachbearbeitung realisiert werden. Wie im übrigen aus den Darstellungen der Figuren 2, 3 und 4 ersichtlich, erfüllen alle Einlaßkanäle die Forderung nach einer möglichst strömungsgünstigen Kanalform, so daß nur minimale Strömungsverluste auftreten können.

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Patentansprüche:

Durch den Ventilteller eines Einlaßventiles auf- und zusteuerbarer Einlaßkanal im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, der in seinem brennraumseitigen Endbereich durch ein den Kanalquerschnitt etwas verengendes Kanalteilstück sowie ein sich daran anschließendes, von der engsten Kanalquerschnittsebene aus wieder erweiterndes und an einer kegligen Ventilsitzfläche endendes Kanalteilstück gebildet ist, welch letzteres mit der Rückseite des Einlaßventiltellers eine spitzwinklige Einlaßdüse bildet, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Bildung einer exzentrisch wirksamen Düse (10), in der nach Öffnen des Einlaßventiles (5) Luft beim Durchströmen des dann gegebenen Durchlaßspaltes in einem Umfangsbereich des Einlaßventiles (5) stärker als im restlichen Umfangsbereich beschleunigbar ist, die engste Kanalquerschnittsebene des sich verengenden Kanalteilstückes (2/1) exzentrisch hinter dem Ventilteller (3) des Einlaßventiles (5) liegt, und der Einlaßkanal (2) ausgehend von seiner größten Querschnittsebenesich verjüngend sowie unsymmetrisch bezüglich der Einlaßventilachse verlaufend zur engsten Kanalquerschnittsebene hinführt und von letzterer ausgehend zur Ventilsitzfläche (8) hin wieder unsymmetrisch zunehmend erweitert, wobei der Einlaßwinkel ( |3 ) dieser Düse in jenem Umf angsbereich des Einlaßventiles (5) am kleinsten ist, der auf jener Seite liegt, nach der in den Zylinder einströmende Luft, um der Zylinderfüllung eine um die Zylinderachse kreisende Bewegung aufzuprägen, stärker als im übriqon Umfnnqsborοirh hosen 1 ouri i qt werden .soll .
2. Einlaßkanal nach Anspruch 1 , rl.idur '"h qekeim/.i· i r-hrn-1 , daß sich die engste Kciri;jlqufr:/'hrn ι ι .','-1/"M'- <\>-:. :.)··\\

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verengenden Kanalteilstückes (2/1) exzentrisch zur Einlaßventilachse hinter dem Ventilteller (3) etwa in Höhe des Überganqes vom Ventilschaft (4) zum Ventilteller (3) des Einlaßventiles (5) erstreckt,

Einlaßkanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das sich ausgehend von der engsten Kanalquerschnittsebene und bis zur Ventilsitzfläche (8) hin erweiternde Kanalteilstück (2/2) etwa die Form eines gekrümmten Trompetenrohres besitzt.

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