DE4205237C2 - Einlaßkanal in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Einlaßventilen pro Zylinder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Einlaßkanal in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Einlaßventilen pro Zylinder gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Aus der DE 36 19 550 A1 ist ein gattungsgemäßer Einlaßkanal in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Einlaßventilen und einem gemeinsamen Einlaßkanal pro Zylinder bekannt. Dieser Einlaßkanal ist durch eine sich über bestimmte Bereiche erstreckende Trennwand in zwei teilweise voneinander getrennte Ansaugfluten geteilt, wobei entsprechend den Lastbe­ dingungen eine in einer Ansaugflut angeordnete Drosselklappe auf- oder zusteuerbar ist. Im Teillastbereich ist die Drossel­ klappe geschlossen, so daß eine minimale Zylinderfüllung mit großer Drallgeschwindigkeit nur über eine Ansaugflut und nahezu vollständig nur über ein Einlaßventil erfolgt, wobei unter diesen Lastverhältnissen leistungsmindernde Strömungsverluste auftreten. Im Vollastbereich wird bei offener Drosselklappe die Drallbewegung durch eine der Drallrichtung entgegengerichtete Strömung gezielt vermindert, wobei jedoch durch die Drallunter­ drückung notwendigerweise relativ große Strömungsverluste auf­ treten, die in nachteiliger Weise gerade im Vollastbereich die Zylinderfüllung vermindern.

Aus der US-Patentschrift 4 856 473 ist ein Verbrennungsmotor mit mehreren Einlaßventilen pro Zylinder bekannt, der zwei baulich getrennte und strömungstechnisch entkoppelte Fluten zur Befüllung der Zylinder aufweist. Die bauliche Trennung und strömungstechnische Entkopplung der zwei Fluten dient sowohl zur Trennung des Teibstoff-Luft-Gemisches von der Abgasrückführungseinrichtung als auch der getrennten, lastabhängig regulierbaren Beimischung von zurückgeführten Abgasen und Luft in den Verbrennungsraum.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Einlaßkanal in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Einlaßventilen und einem gemeinsamen Einlaß­ kanal pro Zylinder mit einfachen Mitteln so zu gestalten, daß entsprechend der jeweiligen Lastbedingungen unter minimalsten Strömungsverlusten eine optimale Zylinderfüllung erreichbar ist um den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den kennzeichnenden Merk­ malen des Patentanspruches 1 gelöst, wobei die Merkmale der Unteransprüche vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen kenn­ zeichnen.

Mit der erfindungsgemäßen Gestaltung eines gattungsgemäßen Ein­ laßkanales ist durch eine entsprechende Einstellung einer Dros­ selklappe, welche stufenlos zwischen den Endstellungen oder in Stufen einstellbar ist, bei Teillast eine relativ gedrosselte Zylinderfüllung und bei Vollast eine maximale Zylinderfüllung zu erzielen, ohne daß der Wirkungsgrad durch erhöhte Strömungs­ verluste vermindert wird, wobei sich eine der jeweiligen Fül­ lung entsprechende optimale Drallbewegung der Zylinderfüllung einstellt. Damit wird die Zündwilligkeit sowie das Brennverhal­ ten der Zylinderfüllung und in der Folge der motorische Wir­ kungsgrad der Brennkraftmaschine weiter verbessert.

Durch die aufgrund der zweiflutigen Ausführung der Ansauganlage im Teillastbereich realisierbaren relativ kleinen Volumen der im Ansaugssystem bewegten Luftmenge wird weiterhin in vorteil­ hafter Weise das instationärverhalten d. h. das Ansprechverhal­ ten des Dieselmotors auf plötzliche Laständerungen verbessert, da die Massenträgheit der Ansaugluftmenge entsprechend vermin­ dert wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung am Beispiel eines mehrzylindrigen, direkteinspritzen­ den Dieselmotores näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Einlaßkanales in einer schematischen Darstellung;

Fig. 2 eine Darstellung entsprechend Fig. 1 in einer Drauf­ sicht.

Ein direkteinspritzender Dieselmotor weist einen mit dem Be­ zugszeichen 1 bezeichneten Zylinderkopf auf, in dem ein Einlaß­ kanal 2 für die Zuführung der Ansaugluft in einen Brennraum 3, ein Auslaßkanal 4, ein Konstantdrosselventil 5 sowie eine zen­ trale Einspritzdüse 6 angeordnet ist. Der Brennraum 3 wird ei­ nerseits durch den Zylinderkopf 1 und andererseits durch die nicht dargestellte Zylinderlaufbuchse mit Kolben eingegrenzt. Der Einlaßkanal 2 ist mit dem Brennraum 3 über zwei Ventilöff­ nungen 7, 8 verbunden, welche einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen und die jeweils mittels eines Einlaßventiles 9 auf- und zusteuerbar sind, wobei deren Mittellängsachsen 10 parallel zu einer Zylinderlängsachse angeordnet sind.

Eine längs der Ansaugrichtung verlaufende und parallel zu den Mittellängsachsen 10 der Einlaßventile 9 angeordneten Trennwand 11 teilt den Einlaßkanal 2 in eine Füllungsflut 12 und eine Drallflut 13. Stromauf setzen sich die voneinander getrennten Fluten 12, 13 des Einlaßkanales 2 in einem an den Zylinderkopf 1 angeflanschten, zweiflutigen Ansaugkrümmer 14 fort, der aus ebenfalls zweiflutigen Ansaugstutzen 15 besteht, welche in von­ einander getrennte und längs der Zylinderbank der Brennkraft­ maschine verlaufende Ansaugrohre 16, 17 einmünden. Mittels ei­ ner, in Fig. 1 halb geöffnet dargestellten Drosselklappe 18 ist die Zuströmseite des Ansaugrohres 16 zur Füllungsflut 12 ver­ schließbar.

An dieser Lösung ist es besonders vorteilhaft, daß auch bei mehrzylindrigen Motoren das Drosseln der Füllungsflut 12 mit nur einer Drosselklappe 18 möglich ist, wodurch die Bauaus­ führung wesentlich vereinfacht wird und damit kostengünstiger sowie weniger störanfällig realisierbar ist.

Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch denkbar, daß im Ge­ gensatz zu der beschriebenen, vorteilhaften Lösung für jeden Zylinder eine gesonderte, an geeigneter Stelle angeordnete Drosselklappe verwendet wird.

In Strömungsrichtung des Einlaßkanales 2 sind die beiden Ven­ tilöffnungen 7, 8 im wesentlichen hintereinander angeordnet, wo­ bei der Einlaßkanal 2 im Anströmbereich 19 der Ventilöffnungen 7, 8 flach abfallend verläuft und jeweils bogenförmig in eine der vertikal durchströmten Ventilöffnungen 7, 8 übergeht. In jeden dieser bogenförmig ausgebildeten Bereiche ragt gegenüber Ventilöffnung 7, 8 jeweils eine zapfenförmige Erhebung 20 hin­ ein, in der eine Ventilführung 21 zentrisch zur jeweiligen Ven­ tilöffnung 7, 8 angeordnet ist.

Die den Einlaßkanal 2 in eine Füllungsflut 12 und eine Drall­ flut 13 teilende Trennwand 11 endet stromab unmittelbar im An­ strömbereich 19 der stromauf liegenden Ventilöffnung 7, wobei die Füllungsflut 12 und die Drallflut 13 in gleicher Höhe ne­ beneinander verlaufen. Die stromauf liegende Ventilöffnung 7 wird durch die Füllungsflut 12 direkt geradlinig angeströmt, so daß durch diese Füllungsflut 12 annähernd keine Drallbewegung der Ansaugströmung beim Einströmen in den Brennraum 3 verur­ sacht wird, wobei die Breite der Füllungsflut "b" jedoch ge­ ringer ist als der Durchmesser "d" der geradlinig angeströmten Ventilöffnung 7. Die der Trennwand 11 gegenüberliegende äußere Wandung 22 der Füllungsflut 12 geht übergangslos tangential in die Ventilöffnung 7 über, während eine gedachte Verlängerung 23 der das Verhältnis der Breite "b" der Füllungsflut 12 zur Breite "e" der Drallflut 13 bestimmenden Trennwand 11 die Ven­ tilöffnung 7 außermittig schneidet und dabei etwa die äußere Kontur der in den Einlaßkanal 2 hineinragenden zapfenförmigen Erhebung 20 tangiert. Der durch die Trennwand 11 von einer ge­ radlinigen Anströmung durch die Füllungsflut 12 abgetrennte Kreisabschnitt 24 der Ventilöffnung 7, der jedoch im Verhältnis zu dem durch die Füllungsflut 12 geradlinig angeströmten Kreis­ abschnitt 25 eine wesentlich geringere Fläche einnimmt, wird durch die der Ventilöffnung 7 zugewandten Randzone 26 der Drallflut 13 überwiegend in tangentialer Richtung angeströmt. Diese tangentiale Anströmung der Ventilöffnung 7 durch die Drallflut 13 wird dadurch noch verstärkt, daß im Anströmbereich 19 der Ventilöffnung 7 auf der dieser Ventilöffnung 7 abgewand­ ten Seite des Einlaßkanales 2 eine querschnittsverengende Wand­ ausbauchung 27 angeordnet ist, die die Ansaugströmung zusätz­ lich in Richtung der stromauf liegenden Ventilöffnung 7 aus­ lenkt.

Der größere Anteil des Strömungsquerschnittes der Drallflut 13 dient jedoch der Anströmung der weiter stromab angeordneten zweiten Ventilöffnung 8, wobei der Endbereich des Einlaßkanales 2 bzw. der Drallflut 13 in bekannter Weise so ausgebildet ist, daß eine drallförmige Verwirbelung der Ansaugströmung erreicht wird.

Die Richtung der tangentialen Anströmung der stromauf liegenden Ventilöffnung 7 sowie die Anströmung der zweiten Ventilöffnung 8 sind so gestaltet, daß der Drall der Ansaugströmungen in beiden Ventilöffnungen 7, 8 und weiterführend im Brennraum 3 in gleiche Richtung erfolgt.

In Teillastbereichen wird eine im Verhältnis zur Vollastmenge geringe Kraftstoffmenge mit einem relativ geringen Einspritz­ druck in den Brennraum 3 eingespritzt. Dieses führt zu einer unzureichenden Homogenität des Gemisches und in der Folge davon werden die Zündwilligkeit und Brenneigenschaften negativ beein­ flußt. Die Aufbereitung des Gemisches im Brennraum 3 und damit die Zündwilligkeit und das Brennverhalten der Zylinderfüllung kann jedoch durch intensives Verwirbeln der Verbrennungsluft wesentlich verbessert werden, wodurch die in Teillastbereichen eintretenden negativen Erscheinungen vermieden bzw. vermindert werden. Um dieses zu erreichen, wird die Drosselklappe 18 und damit die Füllungsflut 12 geschlossen. Die stromauf angeordne­ te Ventilöffnung 7 wird nun ausschließlich über die Randzone 26 der Drallflut 13 in drallerzeugender Weise tangential ange­ strömt, da die drallbehindernde geradlinige Anströmung durch die Füllungsflut 12 entfällt. Diese dadurch erzielte Drallbewe­ gung überlagert und ergänzt sich in vorteilhafter Weise mit der Drallbewegung der Ansaugströmungen der stromab angeordneten Ventilöffnung 8.

In den Lastbereichen - z. B. Vollast -, in welchen auf Grund der höheren Einspritzmenge und -drücke der Kraftstoff auch bei we­ niger guter Verwirbelung gut aufbereitet wird, ist die Dros­ selklappe 18 geöffnet, so daß auch die Füllungsflut 12 unge­ drosselt durchströmbar ist.

Die stromauf angeordnete Ventilöffnung 7 wird nun über den ge­ samten Strömungsquerschnitt im wesentlichen geradlinig mit ge­ ringstem Strömungswiderstand durchströmt, wodurch ein maximaler Füllungsgrad erreicht wird. Im Vergleich zum gedrosselten Zu­ stand des Ansaugquerschnittes werden in vorteilhafter Weise nur noch wesentlich reduzierte Drallbewegung zugelassen, indem nun­ mehr nur noch über die stromab angeordnete Ventilöffnung 8 Drallströmungen in den Brennraum 3 eingebracht werden, welche zusätzlich durch die im wesentlichen drallfreie, über die Fül­ lungsflut einströmende Füllung gedämpft werden.

Durch die aufgrund der zweiflutigen Ausführung der Ansauganlage realisierbaren relativ kleinen Volumen der im Ansaugssystem vorhandenen bzw. bewegten Luftmenge wird in vorteilhafter Weise das Instationärverhalten d. h. das Ansprechverhalten des Diesel­ motors auf plötzliche Laständerungen verbessert, da die Massen­ trägheit der Ansaugluftmenge entsprechend vermindert wird. Dieses relativ kleine Volumen der in der Ansauganlage vorhan­ denen bzw. zu bewegenden Luftmenge wird im Teillastbereich durch das Sperren der Füllungsflut 12 erreicht, wogegen die für den Vollastbetrieb erforderliche große Ansaugluftmenge bei un­ gedrosselten Ansaugquerschnitt die Füllungsflut 12 ohne zusätz­ liche Strömungswiderstände durchströmen kann.

Im übrigen kann die Stellung der Drosselklappe 18 mit Hil­ fe einer Steuereinrichtung in Abhängigkeit von Parametern wie Motorlast und Motordrehzahl oder manuell in Verbindung mit der Fahrpedalstellung in Stufen oder stufenlos zwischen den End­ stellungen geregelt werden.

Claims (3)

1. Einlaßkanal (2) in einem Zylinderkopf (1) einer Brennkraftmaschine mit mindestens zwei, in Einlaßkanallängsrichtung im wesentlichen hintereinander angeordneten Einlaßventilen (9) pro Zylinder, wobei der Einlaßkanal zunächst einflutig von beiden Ventilöffnungen (7, 8) ausgeht und anschließend mittels einer in Strömungsrichtung verlaufenden Trennwand (11) in eine Füllungsflut (12) und eine Drallflut (13) getrennt ist, wobei das den Ventilöffnungen (7, 8) benachbart liegende Ende der Trennwand (11) in den direkten Anströmbereich (19) der ersten Ventilöffnung (7) ragt, welche stromauf der zweiten Ventilöffnung (8) angeordnet ist, wobei ferner die Füllungsflut (12), die mittels einer Drosselklappe (18) auf- und zusteuerbar ist, überwiegend auf die im wesentlichen geradlinig angeströmte erste Ventilöffnung (7) und die Drallflut (13) mit einem drallerzeugend ausgebildeten Anströmbereich (19) überwiegend auf die zweite Ventilöffnung (8) gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine gedachte Verlängerung (23) der Trennwand (11) die im wesentlichen gerade angeströmte erste Ventilöffnung (7) außermittig derart schneidet, daß ein durch die gedachte Verlängerung (23) bestimmter Abschnitt (24) der ersten Ventilöffnung (7) im Bereich der überwiegend auf die zweite Ventilöffnung (8) gerichteten Drallflut (13) liegt und von dieser Drallflut (13) tangential angeströmt ist.

2. Einlaßkanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gedachte Verlängerung (23) der im Anströmbereich (19) der ersten Ventilöffnung (7) endenden Trennwand (11) etwa die äußere Kontur einer in den Einlaßkanal (2) über der ersten Ven­ tilöffnung (7) hineinragenden und eine Ventilführung (21) auf­ nehmenden zapfenförmige Erhebung (20) tangiert.

3. Einlaßkanal nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Anströmbereich (19) der ersten Ventilöffnung (7) auf der dieser Ventilöffnung (7) sowie der Trennwand (11) abgewandten Seite des Einlaßkanales (2) eine querschnittsverengende Wandaus­ bauchung (27) angeordnet ist.