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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
Zylinderkopfes für
einen Verbrennungsmotor des hin- und herlaufenden Typs, und besonders
einen spiralförmigen
Einlaßkanal
mit einer Wirbelkante an einer im Wesentlichen zylindrischen Ventilschaftaussparung.
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Spiralförmige Einlaßkanäle werden
gemeinhin benutzt um eine Verwirbelung der in den Zylinder eines
Verbrennungsmotors – zum
Beispiel einen Direkteinspritzungs-Dieselmotor – eintretenden Gase zu verursachen.
Der Kanal weist eine Kammer in Form einer umgedrehten Schale auf,
deren Rand in einem ringförmigen
Ventilsitz endet. Eine allgemein zylindrische Ventilführung für den Schaft
eines Tellerventils erstreckt sich von der Decke der Schüssel. Die
Schüssel
wird durch einen ringförmigen
Raum begrenzt, welcher sich um die Ventilführung herum erstreckt und welcher – gewöhnlich tangential – von dem
Einlaßkanal
geschnitten wird, um in den Ansauggasen eine Verwirbelung zu erzeugen,
während diese
in den Zylinder eingelassen werden.
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Die
Verbindung zwischen dem stromaufwärts liegenden Einlaßkanal und
dem ringförmigen Raum
um die zylindrische Ventilführung
ist entlang einer Außenwand
des Kanals glatt und weist entlang einer gegenüberliegenden Innenwand einen
Scheitel auf. Der Scheitel weist eine Kante mit einem Radius von
mehr als 1 mm und typischerweise ungefähr 3 mm auf. Der Scheitel wirkt
als eine Wirbelkante, wobei das meiste der Kante parallel zu der
Achse der Ventilführung
oder innerhalb von 10° zu
einer Parallelen geführt
ist. Es wurde experimentell herausgefunden daß die Gestalt und der Winkel
der Innenwand bezüglich
der Ventilschaftachse eine beachtliche Auswirkung auf das Ausmaß der Verwirbelung hat.
Idealerweise sollte diese Gestalt und dieser Winkel für jeden
in einem Produktionslauf hergestellten Zylinderkopf konstant sein,
um in jedem Zylinderkopf die gleiche Verwirbelung sicherzustellen.
Zum Beispiel wird Kraftstoffeinspritzungs-Zubehör eingestellt um einen Kraftstoff
mit einem bestimmten Druck und bestimmten Tröpfchengröße zu liefern, und aus Gründen der
Bequemlichkeit und Wirtschaftlichkeit ist diese Einstellung für jeden
hergestellten Motor die gleiche. Wenn die Verwirbelungscharakteristika
zwischen verschiedenen Zylinderköpfen
oder zwischen verschiedenen Einlaßkanälen in dem gleichen Zylinderkopf
variieren, dann wird Kraftstoff möglicherweise nicht richtig
in den Einlaßgasen
verteilt, oder setzt sich möglicherweise
auf Oberflächen
innerhalb des Zylinders ab, etwa am Kolben des Verbrennungsraums.
Dies resultiert in nicht optimaler Verbrennung und erhöhten Emissionen.
Daher ist das Verwirbelungsverhältnis
bei einem bestimmten Nominalwert für eine bestimmte Kraftstoffeinspritzungs-Einstellung
am besten.
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In
der Praxis ist es jedoch schwer in der Herstellung eines Guß-Zylinderkopfes
die Gleichmäßigkeit
beizubehalten, weil die Werkzeuge oder „Kästen", wie sie manchmal genannt weiden, dazu
neigen von in die Werkzeuge eingeblasenen Sand abgeschliffen zu
werden. Die Gestalt der Innenwand des Einlaßkanals kann sich daher über die
Zeit hinweg verändern.
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Um
die Emissionsleistung völlig
zu optimieren wäre
es als eine Folge daher notwendig – besonders mit Direkteinspritzungs-Diesel-
oder Benzinmotoren – entweder
jeden Motor einzeln abzustimmen um Leistungsmerkmale zu erfüllen, oder
zu versuchen die Gestalt und den Winkel der Einlaßkanal-Innenwand
zu messen, und Zylinderköpfe
zu verwerfen die außerhalb
der Spezifikation lagen. Weil dies zeitaufwendig und relativ teuer
ist, war es bisher oft notwendig sich bei mindestens einigen der
hergestellten Motoren mit einer geringeren Leistung und somit mit
höheren
nachweisbaren Emissionen abzufinden.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Verfahren der Herstellung eines Zylinderkopfes für einen
Verbrennungsmotor vom hin- und herlaufenden Typ bereitgestellt,
wobei der Zylinderkopf einen spiralförmigen Einlaßkanal mit
einer Kammer umfaßt,
die in einem ringförmigen
Ventilsitz endet und einen ringförmigen Raum
um eine allgemein zylindrische Ventilschaftführung für einen Tellerventilschaft
umspannt; wobei eine Fläche
der Kammer eine Wand jenes Einlaßdurchgangs des Einlaßkanals
entlang einer Wirbelkante trifft; und die Kammer eine schalenförmige Fläche darbietet
die einen Rand aufweist, der in dem Ventilsitz endet; ein stromaufwärts liegender
Abschnitt jener Wand des Einlaßdurchgangs
in einer Ebene mit rechten Winkeln zur Richtung des Einlaßdurchgangs
gebogen ist; und der stromaufwärts
liegende Abschnitt entlang eines Übergangs in einen planaren
Abschnitt dieser sich zu dieser Wirbelkante erstreckenden Wand übergeht;
dadurch gekennzeichnet, daß:
die Wand des Einlaßdurchgangs
im Wesentlichen über
ihre ganze Länge
hinweg diese gebogene Oberfläche
aufweist, die Wirbelkante über ihre
Länge hinweg
im Wesentlichen gerade ist, und der planare Abschnitt sich im Wesentlichen
entlang der gesamten Ausdehnung der Wirbelkante erstreckt; und dadurch,
daß das
Verfahren die Schritte umfaßt:
- (i) Gießen
des Zylinderkopfes in einem Metall; und
- (ii) Messen der Ausrichtung des planaren Abschnitts relativ
zu einem Referenzmerkmal, um sicherzustellen daß der planare Abschnitt relativ
zu dem Referenzmerkmal richtig ausgerichtet ist.
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Das
Referenzmerkmal ist vorzugsweise die Achse der Ventilschaftführung.
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Ein
stromabwärts
liegender Abschnitt der Wirbelkante ist vorzugsweise mit einem Überschuß an Material
gegossen und wird nachfolgend maschinell bearbeitet, um die Wirbelkante
zu schärfen.
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Der
planare Abschnitt kann dann als eine Meßfläche dienen, welche vermessen
werden kann, um sicherzustellen daß die stromaufwärts liegende und
an die Wirbelkante angrenzende Wand den richtigen Winkel und die
richtige Ausrichtung bezüglich Referenzmerkmalen
in dem Zylinderkopf – wie
etwa der schalenförmigen
Kammer, dem Ventilsitz oder dem Ventilschaft – aufweist.
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Vorzugsweise
gibt es direkt an die Wirbelkante angrenzend (abgesehen von jeglichem
Radius an der Wirbelkante selbst) keinen gebogenen Abschnitt der
Einlaßkanalwand.
Der planare Abschnitt erstreckt sich, um die Wirbelkante im Wesentlichen über die
gesamte Wirbelkante hinweg zu treffen. Dies wird helfen sicherzustellen
daß, wenn
sich das Gußwerkzeug
in der Nähe
der Wirbelkante verändert oder
durch Gebrauch abgenutzt wird, diese Änderungen detektiert werden,
indem man den Winkel der planaren Fläche bezüglich eines Referenzmerkmals mißt.
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Allgemein
wird eine Linie entlang des Großteils
der Wirbelkante im Wesentlichen gerade sein, und kann innerhalb
von ungefähr
10° zu einer
Parallelen zur Achse der Tellerventilschaftführung gerichtet sein.
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Der
planare Abschnitt wird eine erste Ebene und eine erste Linie beschreiben,
welche sowohl in der ersten Ebene wie auch in einer zweiten Ebene liegt,
wobei die zweite Ebene in rechten Winkeln zu der Achse der Tellerventilschaftführung liegt.
Die erste Linie kann dann einen Knick von zwischen ungefähr 0° und ungefähr 20° zu einer
zweiten Linie machen, wobei die zweite Linie dadurch beschrieben
ist, daß sie
ebenfalls in der zweiten Ebene liegt und durch die Achse der Tellerventilschaftführung hindurchreicht,
und den stromaufwärts
liegenden Übergang
zwischen dem planaren Abschnitt und der Einlaßkanalwand schneidet.
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Die
Wirbelkante kann eine Kante mit einem Radius von bis zu 3 mm aufweisen.
Es wird jedoch bevorzugt wenn die Wirbelkante einen Radius von unter
0,5 mm besitzt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wirbelkante
ein scharfer Scheitel, zum Beispiel mit einem Radius von unter 0,1
mm. Dies liegt daran weil der Betrag oder das Ausmaß an Verwirbelung
experimentell als stark abhängig
von dem Radius der Wirbelkante gefunden wurde, und allgemein ist
es für
einen gegebenen Motor bevorzugt wenn das Ausmaß an Verwirbelung für jeden hergestellten
Zylinderkopf konstant ist. Experimentell wurde herausgefunden daß eine durch
Bearbeitung jener nicht den planaren Abschnitt aufweisenden Seite
der Wirbelkante gebildete scharfe Kante in einem typischen Gußlinien-Herstellprozeß in einem
reproduzierbareren Ausmaß an
Verwirbelung resultiert, verglichen mit der bei einem Gußmerkmal
eher üblichen
abgerundeten Kante.
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Bevorzugt
ist das Referenzmerkmal die Achse der Ventilschaftführung, oder
gleichermaßen
eine zu dieser Achse parallele Fläche.
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Optional
kann die Oberfläche
der Wirbelkante, die von jener den planaren Abschnitt aufweisenden
Seite weg weist, d.h. der stromabwärts liegende Abschnitt, maschinell
bearbeitet sein, um die Kante der Wirbelkante zu schärfen; und
zu diesem Zweck kann die stromabwärts liegende Seite der Wirbelkante
mit einem Überschuß an Material
gegossen werden, der später
maschinell entfernt wird.
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Die
Erfindung wird nun, anhand eines Beispiels und unter Bezug auf die
beigefügten
Zeichnungen, genauer beschrieben werden, in denen:
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1 eine
Perspektivansicht der Innenfläche
eines spiralförmigen
Einlaßkanals
in einem gemäß des Verfahrens
der Erfindung gefertigten Zylinderkopf ist, wobei der Kanal eine
Kammer in Form einer umgedrehten Schale um eine im Wesentlichen zylindrische
Ventilschaftführung über einen
Einlaßventilsitz
aufweist;
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2 ein
Querschnitt durch den Zylinderkopf von 1 in rechten
Winkeln zu dem Ventilschaft ist, der auf den Einlaßventilsitz
hinab blickt und eine Wand der Schale zeigt, die eine planare Oberfläche in einem
Einlaßdurchgang
an einer Wirbelkante trifft;
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3 eine
Seitenansicht des spiralförmigen
Einlaßkanals
von 1 ist, welche die Lage und Abmessungen der planaren
Oberfläche
zeigt; und
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4 eine
Auftragung ist, die das Ausmaß an
Verwirbelung gegen den Winkel der planaren Oberfläche relativ
zur Achse der Ventilschaftführung zeigt.
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1 und 2 zeigen
die Innenflächen eines
spiralförmigen
Einlaßkanals 1 in
einem Zylinderkopf. Der Einlaßkanal 1 wurde
mit einem planaren Abschnitt 2 (in 1 in schraffiertem
Umriß gezeigt) in
einer Wand 4 des Einlaßkanals
gegossen. Der Einlaßkanal 1 weist
eine Ventilschaftaussparung mit einer Oberfläche 6 in Form einer
umgedrehten Schale auf, die sich um eine Ventilschaftführung 8 erstreckt, welche
nach unten auf einen Einlaßventilsitz 10 in
einer unteren Oberfläche 12 des
Zylinderkopfes gerichtet ist. Ein ringförmiger Raum 14 erstreckt
sich um das meiste der Ventilschaftführung 8, unterbrochen von
einem Einlaßdurchgang 20,
welcher im Wesentlichen tangential auf die Schale 6 trifft.
Aus Gründen der
Klarheit ist in den Zeichnungen kein Tellerventil gezeigt, und es
ist kein von dem Auslaßventilsitz 16 des
Zylinders wegführender
Auslaßkanal
gezeigt.
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Unter
Bezug auf 3 betragen die Abmessungen des
planaren Abschnittes 2 in diesem Beispiel 15 mm in der
Y-Richtung parallel zur Basis des Zylinderkopfes und mit rechten
Winkeln zu der Motorachse, und ein Maximum von 20 mm in der Z-Richtung
parallel zu der Zylinderachse.
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Der
planare Abschnitt 2 trifft einen allgemein zylindrischen
Abschnitt der schalenförmigen
Oberfläche 6 bei
einer scheitelförmigen
Wirbelkante 18. Die Wirbelkante 18 ist daher über das
Meiste ihrer Länge hinweg
gerade, in 1 als eine gestrichelte Linie gezeigt.
Der gerade Abschnitt der Wirbelkante ist ungefähr 5° von einer Parallelen mit einer
Achse 22 der Ventilschaftführung weg gerichtet, und neigt
sich nach außen
leicht zu dem unteren Ende der Wirbelkante 18.
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Das
stromaufwärts
liegende Ende des planaren Abschnitts 2 geht entlang eines Übergangs,
der allgemein einen kleinen Winkel aufweist, in die Wand des Einlaßdurchgangs über. Weil
die Wand in einer Ebene mit rechten Winkeln zur Richtung des Durchgangs
gebogen ist, variiert dieser kleine Winkel entlang diese Übergangs
zwischen ungefähr
0° bis zu ungefähr 20°. Es wurde
empirisch herausgefunden daß derartig
kleine Winkel die Verwirbelungsleistung des schraubenförmigen Einlaßkanals
nicht beeinflussen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Wirbelkante 18 einen scharfen Scheitel auf, wie er
in 2 gezeichnet ist. Unter Verwendung herkömmlicher
Gußtechniken
ist es nicht ausführbar eine
Kante mit einem Radius schärfer
als 1 mm zu haben, weil die Körnigkeit
und Festigkeit des im Gußprozeß verwendeten
Sandes dünnwandige
Abschnitte nicht fortwährend
unterstützen
wird. Daher besitzen Wirbelkanten herkömmlich einen Radius von ungefähr 3 mm.
Die vorliegende Erfindung ist auf derartige herkömmliche Wirbelkanten anwendbar.
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Weil
die Wirbelkante gewöhnlich
innerhalb von 10° parallel
zu der Ventilschaft-Führungsachse sein
wird, kann die Orientierung des planaren Abschnitts mittels eines
durch eine Linie 24 von der Ventilschaft-Führungsachse 22 zu
der Wirbelkante 18 begrenzten Winkels α in einer Ebene mit rechten Winkeln
zu der Ventilschaft-Führungsachse 22 gekennzeichnet
sein, welche hier die Zeichnungsebene ist. In 2 ist
dieser Winkel 2 aus Gründen
der Klarheit übertrieben
gezeichnet, und allgemein wird α zwischen
ungefähr
0° und 20° liegen.
Der Winkel α kann
variiert werden, um das Ausmaß an
Verwirbelung zu ändern.
In 2 ist eine zweite Ausrichtung des planaren Abschnittes 102 in
gestricheltem Umriß mit
einem als α' bezeichneten Winkel
gezeigt.
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4 zeigt
die Auswirkung einer Variation des Winkels α über den Bereich von ungefähr 0° bis ungefähr 40° quantitativ.
Die gezeigten Daten bestehen aus vier Sätzen von Datenpunkten bei jedem
von vier Flächenwinkeln.
Die Spanne innerhalb jedes Satzes von Datenpunkten kann dem experimentellen Fehler
zugeschrieben werden. Das Wirbelverhältnis wird hier unter Verwendung
einer wohlbekannten Technik auf einem Teststand gemessen, in welchem Luft
in einen leeren Zylinder angesaugt wird, innerhalb dessen ein Flügelradanemometer
montiert ist.
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Das
Flügelrad
ist konstruiert um die Verwirbelung von Luft um die Zylinderachse
zu detektieren, und dreht sich somit auf Scharnieren um diese Achse.
Das Wirbelverhältnis
wird als das Verhältnis
der Rotationsgeschwindigkeit des Flügelrads geteilt durch eine
fiktive Motor-Drehgeschwindigkeit
berechnet, die dem in den Zylinder eintretenden Luftvolumen entspricht.
Daher ist jene der in den Zylinder eingesaugten Luft durch den spiralförmigen Einlaßkanal auferlegte
Verwirbelung umso größer, je
höher das
Wirbelverhältnis
ist.
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Weil
die Verbrennungscharakteristika eines Motors jedoch von einer Anzahl
von Faktoren abhängen,
wie etwa Kraftstoffversorgungsfaktoren und – für einen Benzinmotor – Zündungseinstellung,
die über einen
Bereich von Motoren des selben Typs hinweg gleich sein müssen, ist
es bevorzugt wenn jeder Einlaßkanal
ein nominelles Ausmaß an
Verwirbelung erzeugt, das nicht unerwartet zwischen Motoren variiert.
Die Ausrichtung des planaren Abschnittes ist leichter zu messen
als eine komplexe, gebogene Gestalt. Der planare Abschnitt erlaubt
daher eine bequeme Überprüfung der
Gestalt des Einlaßkanals
stromaufwärts
von der Wirbelkante, um bei der Sicherstellung zu helfen daß der Produktionsprozeß nicht durch Änderungen
in jenem in dem Gußprozeß verwendeten
Werkzeug beeinflußt
wird.