WO2021043431A1 - Internal combustion engine with eccentric tumble chamfer for a petrol engine with a four-valve/crossflow cylinder head - Google Patents

Internal combustion engine with eccentric tumble chamfer for a petrol engine with a four-valve/crossflow cylinder head Download PDF

Info

Publication number
WO2021043431A1
WO2021043431A1 PCT/EP2020/000141 EP2020000141W WO2021043431A1 WO 2021043431 A1 WO2021043431 A1 WO 2021043431A1 EP 2020000141 W EP2020000141 W EP 2020000141W WO 2021043431 A1 WO2021043431 A1 WO 2021043431A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
valve
tumble
inlet
internal combustion
combustion engine
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/000141
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Andreas Boemer
Marco Jung
Original Assignee
Deutz Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deutz Aktiengesellschaft filed Critical Deutz Aktiengesellschaft
Publication of WO2021043431A1 publication Critical patent/WO2021043431A1/en

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M35/00Combustion-air cleaners, air intakes, intake silencers, or induction systems specially adapted for, or arranged on, internal-combustion engines
    • F02M35/10Air intakes; Induction systems
    • F02M35/10242Devices or means connected to or integrated into air intakes; Air intakes combined with other engine or vehicle parts
    • F02M35/10262Flow guides, obstructions, deflectors or the like
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/06Valve members or valve-seats with means for guiding or deflecting the medium controlled thereby, e.g. producing a rotary motion of the drawn-in cylinder charge
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/08Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B31/00Modifying induction systems for imparting a rotation to the charge in the cylinder
    • F02B31/02Modifying induction systems for imparting a rotation to the charge in the cylinder in engines having inlet valves arranged eccentrically to cylinder axis
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24Cylinder heads
    • F02F1/42Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads
    • F02F1/4235Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads of intake channels
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M21/00Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form
    • F02M21/02Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/08Valves guides; Sealing of valve stem, e.g. sealing by lubricant
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B31/00Modifying induction systems for imparting a rotation to the charge in the cylinder
    • F02B2031/006Modifying induction systems for imparting a rotation to the charge in the cylinder having multiple air intake valves
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00Other engines
    • F02B75/12Other methods of operation
    • F02B2075/125Direct injection in the combustion chamber for spark ignition engines, i.e. not in pre-combustion chamber
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24Cylinder heads
    • F02F2001/241Cylinder heads specially adapted to pent roof shape of the combustion chamber
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24Cylinder heads
    • F02F2001/244Arrangement of valve stems in cylinder heads
    • F02F2001/245Arrangement of valve stems in cylinder heads the valve stems being orientated at an angle with the cylinder axis
    • F02F2001/246Arrangement of valve stems in cylinder heads the valve stems being orientated at an angle with the cylinder axis and orientated radially from the combustion chamber surface
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/30Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the invention relates to a cylinder head of a gasoline engine with at least two inlet ducts which open out at a cylinder head base, and each with a valve seat for an inlet valve provided in the inlet duct, the valve seat having a central axis.
  • the combustion process in an engine is particularly influenced by the flow in the cylinder.
  • Swirl is a vortex flow whose axis of rotation is parallel to the cylinder axis.
  • a tumble is a vortex flow whose axis of rotation is arranged at right angles to the cylinder axis.
  • a tumble combustion process is often used in gasoline engines. This combustion process generates a tumble flow generated on the inlet side, uses a roof-shaped combustion chamber and a piston bowl that supports the tumble flow. The tumble flow generated during the suction phase is crushed during the compression phase and converted into turbulence. The turbulence accelerates the combustion and enables good lean running properties and high exhaust gas recirculation rates.
  • a method for operating an internal combustion engine is known from EP 814245 B1, the gas exchange of which is controlled by periodically actuated inlet and outlet valves, the fresh gas flowing in via the inlet valve being impressed with a flow movement in such a way that the exhaust gas swirl flow and the fresh gas flow movement a charge stratification with increased fresh gas concentration in the vicinity of a spark plug sets in the combustion chamber and the swirl flow is impressed on the recirculated exhaust gas by a chamfer extending only partially around the flow cross-section, the directions of the two chamfers on the exhaust valves deviating from one another in such a way that form two swirl flows rotating in opposite directions around parallel cylinder axes, so that the flow movement impressed on the fresh gas is a tumble flow rotating transversely to the cylinder axis.
  • a cylinder head for a diesel or gasoline engine is known from DE 102008026728 A1.
  • the cylinder head has at least one inlet channel with a valve seat and inlet valve for each individual working cylinder.
  • the valve seat of the inlet valve is provided with a swirl chamfer, the swirl chamfers of two or all of the cylinders being designed differently.
  • the bevel angle or the size of the bevel can be considered as the variable size of the bevel.
  • Each inlet channel has a valve seat for an inlet valve and a chamfer in the area of the cylinder head base, which are designed and arranged in such a way that a swirling flow of the incoming gas is brought about.
  • EP 1215377 A1 describes a cylinder head of a diesel or gasoline engine with a cylinder head base and an inlet duct.
  • the inlet channel comprises a valve seat for an inlet valve.
  • a rib is arranged on the inner wall of the inlet channel in front of it.
  • the rib increases the vortex movement as it flows into the combustion chamber.
  • the rib can be at least partially formed when the inlet channel is formed or by machining the inner wall of the channel.
  • a cylinder head of a gasoline engine is known from FR 2890119 A1.
  • the cylinder head has a cylinder head base, two inlet channels and one valve seat for one inlet valve per inlet channel.
  • the inlet ducts each include a bevel that extends in the direction of the outlet ducts. As a result, a tumble flow is generated in the direction of the exhaust ducts when it flows into the cylinder.
  • DE 19619782 A1 discloses a cylinder head of a diesel or gasoline engine.
  • the cylinder head has a cylinder head base and an inlet channel with a valve seat for an inlet valve.
  • a raised section is provided in the inlet channel which directs the intake air flow in the inlet channel in the direction of the cylinder wall closest to the inlet valve, so that a tumble flow is generated.
  • the invention is based on the object of designing and arranging a cylinder head of a gasoline engine in such a way that a tumble flow is generated in a targeted manner.
  • the tumble bevels are particularly effective when the valve lift is low, i.e. when the valve is opened and closed, when the flow through the valve is forcibly guided to the bevel or the chamfer.
  • the outflow from the inlet channel runs primarily along the valve axis and is hardly influenced by the chamfer.
  • the chamfer leads to a significant increase in the tumble flow in the cylinder.
  • the efficiency of this measure is good; H. the movement of the cargo is significantly increased without the use of air being impaired in an inadmissible manner.
  • the chamfer can be introduced into series production without the cylinder head having to be redesigned in any other way.
  • the eccentric chamfer can be implemented with no production costs.
  • the maximum M is achieved in that the axis of symmetry of the bevel is arranged eccentrically and / or adjusted to the central axis of the valve seat.
  • the inclination of the axis of symmetry ensures that the inclination angle of the bevel surface varies over the circumference relative to the central axis.
  • the eccentric arrangement and the employment can of course be provided alternatively or in combination.
  • the formation of the bevel can therefore be determined by their flan kenwinkel, d. H. the cone angle of an eccentrically attached milling tool and / or by their employment, d. H. the angle of incidence between the axis of the milling tool and the surface normal of the cylinder head base.
  • the flank angle or cone angle is preferably between 100 ° and 140 °.
  • the setting or the setting angle is preferably between 0 ° and 10 °. Both measures can be used to produce a bevel that is asymmetrical to the central axis and with the desired alignment.
  • the cone angle of the eccentrically applied milling tool and / or the setting angle of the milling tool are selected in such a way that an efficient flow control is achieved.
  • Both currents thus converge in the area of the closest cylinder wall and are favorably deflected downwards so that a tumbling movement is initiated.
  • the alignment of the tumble bevels using one of the aforementioned angles is such that the flow deflection is aimed in the direction of the cylinder wall closest to the two inlet valves.
  • a tumble flow is generated in interaction with the curvature of the cylinder wall and, on the other hand, a distance between the tumble bevel and the cylinder wall is ensured.
  • the eccentricity E of the countersinks or tumble bevel is selected so that a significant intensification of the tumble flow is achieved without the flow quality of the inlet channels being significantly impaired.
  • the tumble flow 13 generated at the inlet channel 5 can only be fully used if the engine has a piston bowl 14 that supports the tumble flow.
  • a piston bowl 14 Compared to the deep bowl such as the omega bowl, such a piston bowl 14 also has the advantages that the flame paths from the spark plug 12 to the edge of the combustion chamber are particularly short and the surface area of the combustion chamber is small.
  • combustion chamber is filled with the aid of a turbocharger or a compressor.
  • a method for producing a cylinder head of a stationary gas engine is advantageous in which a milling tool is used to produce the bevel 11, which has a cone angle and is set with the eccentricity to the central axis and / or at an angle of attack to the central axis.
  • the gas engine is operated with a cylinder head as described above with a high scavenging pressure drop, the scavenging pressure drop being between 700 mbar and 1200 mbar.
  • the number and arrangement of the gas exchange organs in the cylinder depends on various boundary conditions.
  • the main criteria are the valve arrangement and the valve train, the arrangement of the mixture generator, desired filling and charge movement, required limit speed, package, friction, maintenance, timing drive, which determine the effort and manufacturing costs.
  • the basic characteristics of the charge movement are the swirl flow, the rotation of the cylinder charge around the cylinder axis and the tumble flow, the rotation around the axis perpendicular to the cylinder's vertical axis or around the longitudinal axis of the engine.
  • the charge movement turns out to be one of the most important parameters for combustion, as its modification can have significant effects on the combustion process.
  • By adapting the inlet ducts and / or the valve control times it is possible to specifically influence the mixture formation and the combustion process. Attempts are made to increase the turbulence by means of a directed flow and to prepare the mixture better and, for example in the case of stratified charging, to guide the charge in a targeted manner. An effect on the wall heat transfer, the mass transport and the propagation speed of the combustion can also be achieved.
  • the swirl flow is already taken into account when designing the inlet ducts, with different configurations being implemented.
  • One of the channels can be designed as a filling channel for this purpose.
  • the filling channel can be provided with a swirl flap that can be closed depending on the operating point.
  • the other channel is often referred to as the tangential channel and is used to generate the twist.
  • the air thus flows asymmetrically into the combustion chamber and induces a flow shape that rotates around the vertical axis of the cylinder, with the swirl level being able to increase as the swirl flap is adjusted more and more.
  • the opening of the filling channel is only expedient in areas of high speeds or towards full load.
  • the swirl flow is supported by a suitable design of the piston shape, with the so-called omega-bowl pistons proving themselves here.
  • the twist is also retained in the compression phase.
  • the tumble represents a flow around an axis perpendicular to the cylinder's vertical axis. This flow direction is achieved in that certain measures at the inlet force the air to flow through the upper part of the intake duct.
  • the suction channel is provided with a shape that supports the flow in the upper part of the channel, or the lower part of the channel is closed by a flap arranged in it.
  • the rotary flap closes the lower part of the suction duct and thus ensures a narrowing of the cross-section, which is accompanied by an increase in speed.
  • the tumble In comparison to the swirl, the tumble is not independent of the piston movement, which means that it breaks up into individual turbulence eddies at TDC. This behavior is desirable in gasoline engines because it creates a high level of turbulence.
  • a specially designed piston for example with a nose or as a lens piston, supports the deflection of the tumble flow.
  • Phase adjusters for the intake and exhaust side as well as partially and fully variable valve lift systems offer further options for targeted influencing of the gas exchange process.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of the cylinder head in the view from below
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of a sectional illustration of the cylinder head
  • FIG. 5 shows a section through an internal combustion engine with an eccentric tumble bevel.
  • a schematic diagram of the cylinder head 1 is shown in a view from below.
  • the inlet valves 3, the outlet valves 4 and the spark plug 12 can be seen.
  • the inlet channel 5 can be seen, to which the fresh air is closed brings the inlet valves 3. After the fresh air has flowed through the inlet channel, it has to pass the valves 3 and inevitably comes into the area of the eccentric tumble bevel 10 on the inlet valve.
  • the eccentric tumble bevel 10 on the inlet valve 3 is arranged on the opposite side of the valve disk as the inlet channel 5.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of the illustration from FIG. 1 in a side view.
  • the inlet valves 3, the outlet valves 4 and the spark plug 12 can be seen.
  • the inlet channel 5, which brings the fresh air to the inlet valves 3, can also be seen. After the fresh air has flowed through the inlet duct, it has to pass the valves 3 and inevitably comes into the area of the eccentric tumble bevel 10 on the inlet valve.
  • the eccentric tumble bevel 10 on the inlet valve 3 is arranged on the opposite side of the valve disk than the inlet channel 5.
  • the outlet channel 6 leads away from the outlet valves, through which the exhaust gases flow after they have passed the open outlet valves 4.
  • FIG. 3 A schematic representation of swirl and tumble flow can be seen in FIG. 3.
  • FIG. 5 a section through an internal combustion engine with an eccentric tumble bevel 11 is disclosed.
  • the inlet valves 3, the outlet valves 4 and the spark plug 12 can be seen.
  • the inlet channel 5, which brings the fresh air to the inlet valves 3, can also be seen. After the fresh air has flowed through the inlet channel, it has to pass the valves 3 and inevitably comes into the area of the eccentric tumble bevel 10 at the inlet valve.
  • the eccentric tumble bevel 10 on the inlet valve 3 is arranged on the opposite side of the valve disk as the inlet channel 5.
  • the fibers at the outlet of the inlet channels are designed eccentrically in the outlet direction.
  • the fresh air or the gas / air mixture preferably flows into the combustion chamber in such a way that the tumble occurs.

Abstract

1. An internal combustion engine with eccentric tumble chamfer for a petrol engine with a four-valve/crossflow cylinder head 2. An internal combustion engine, in particular a petrol engine, is described, comprising at least one crankcase (2), at least one cylinder head (1), wherein the cylinder head has at least one inlet valve (3) and at least one outlet valve (4), wherein the inlet valve (3) and the outlet valve (4) have in each case one valve seat (8, 9), at least one inlet duct (5) and at least one outlet duct (6), and at least one piston with piston rings and the corresponding crankshaft, characterized in that an eccentric tumble chamfer (10) is arranged in the region of the inlet valve (3) and the associated valve seat (8).

Description

Brennkraftmaschine mit exzentrischer Tumblefase für einen Ottomotor mit Vierventil/Querstrom-Zylinderkopf Internal combustion engine with eccentric tumble bevel for a gasoline engine with four-valve / cross-flow cylinder head
B E S C H R E I B U N G DESCRIPTION
Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf eines Ottomotors mit mindestens zwei Einlasskanälen, die an einem Zylinderkopfboden münden, und mit je einem im Einlasskanal vorgesehenen Ventilsitz für ein Einlassventil, wobei der Ventilsitz eine Mittelachse aufweist. Der Ablauf der Verbrennung eines Motors wird insbesondere von der Strömung im Zylinder beeinflusst. Man unterscheidet zwischen makroskopischer Strömung - das sind der Drall und der Tumble - und mikroskopischer Strömung - das ist die Turbulenz. Als Drall bezeichnet man eine Wirbelströmung, deren Rotationsachse pa rallel zur Zylinderachse liegt. Als Tumble bezeichnet man eine Wirbelströmung, deren Rotationsachse rechtwinklig zur Zylinderachse angeordnet ist. The invention relates to a cylinder head of a gasoline engine with at least two inlet ducts which open out at a cylinder head base, and each with a valve seat for an inlet valve provided in the inlet duct, the valve seat having a central axis. The combustion process in an engine is particularly influenced by the flow in the cylinder. A distinction is made between macroscopic flow - that is swirl and tumble - and microscopic flow - that is turbulence. Swirl is a vortex flow whose axis of rotation is parallel to the cylinder axis. A tumble is a vortex flow whose axis of rotation is arranged at right angles to the cylinder axis.
Bei Ottomotoren wird häufig ein Tumble-Brennverfahren angewendet. Die ses Brennverfahren erzeugt eine einlassseitig generierte Tumbleströmung, verwendet einen dachförmigen Brennraum und eine die Tumbleströmung unterstützende Kolbenmulde. Die während der Ansaugphase generierte Tumbleströmung wird während der Kompressionsphase zerquetscht und in Turbulenz umgewandelt. Die Turbulenz beschleunigt die Verbrennung und ermöglicht gute Magerlaufeigenschaften bzw. hohe Abgasrückführraten. A tumble combustion process is often used in gasoline engines. This combustion process generates a tumble flow generated on the inlet side, uses a roof-shaped combustion chamber and a piston bowl that supports the tumble flow. The tumble flow generated during the suction phase is crushed during the compression phase and converted into turbulence. The turbulence accelerates the combustion and enables good lean running properties and high exhaust gas recirculation rates.
Bekannt sind stationäre Gasmotoren, die mit einem Brennverfahren, mit Drall-Einlasskanälen und Omega-Kolbenmulden funktionieren. Zur Erhö hung des Dralls werden Drallfasen verwendet. Dies sind exzentrische Anfasungen am Zylinderkopf unterhalb der Einlassventile, die die Abströmung von den Einlasskanälen gezielt in Drallrichtung lenken. Das Diesel-Drall- Brennverfahren zielt auf eine gute innermotorische Gemischbildung ab. Es ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine aus der EP 814245 B1 bekannt, deren Gaswechsel von periodisch betätigten Einlass- und Auslassventilen gesteuert wird, wobei dem über das Einlassventil einströmenden Frischgas eine Strömungsbewegung derart aufgeprägt wird, dass sich aus der Abgas-Drallströmung und der Frischgasströmungsbewegung im Brennraum eine Ladungsschichtung mit in der Nähe einer Zündkerze erhöhter Frischgaskonzentration einstellt und dass dem zurückgeführten Abgas die Drallströmung durch eine sich nur teilumfänglich um den Strömungsquerschnitt erstreckende Fase aufgeprägt wird, wobei die beiden an den Auslassventilen angeordneten Fasen mit ihren Richtungen derart voneinander abweichen, dass sich zwei gegenläufig zueinander um pa rallele Zylinderachsen rotierende Drallströmungen ausbilden, so dass die dem Frischgas aufgeprägte Strömungsbewegung eine quer zur Zylinder achse rotierende Tumbleströmung ist. Stationary gas engines that work with a combustion process, with swirl inlet ducts and omega piston bowls are known. Twist chamfers are used to increase the twist. These are eccentric chamfers on the cylinder head below the inlet valves, which direct the outflow from the inlet ports in a targeted manner in the direction of the swirl. The diesel swirl combustion process aims to achieve good mixture formation within the engine. A method for operating an internal combustion engine is known from EP 814245 B1, the gas exchange of which is controlled by periodically actuated inlet and outlet valves, the fresh gas flowing in via the inlet valve being impressed with a flow movement in such a way that the exhaust gas swirl flow and the fresh gas flow movement a charge stratification with increased fresh gas concentration in the vicinity of a spark plug sets in the combustion chamber and the swirl flow is impressed on the recirculated exhaust gas by a chamfer extending only partially around the flow cross-section, the directions of the two chamfers on the exhaust valves deviating from one another in such a way that form two swirl flows rotating in opposite directions around parallel cylinder axes, so that the flow movement impressed on the fresh gas is a tumble flow rotating transversely to the cylinder axis.
Aus der DE 102008026728 A1 ist ein Zylinderkopf für einen Diesel- oder Benzinmotor bekannt. Der Zylinderkopf weist für jeden einzelnen Arbeits- zylinder mindestens einen Einlasskanal mit Ventilsitz und Einlassventil auf. Der Ventilsitz des Einlassventils ist zwecks Generierung einer Drallströmung mit einer Drallfase versehen, wobei die Drallfasen von zwei oder von allen Zylindern unterschiedlich ausgebildet sind. Als variable Größe der Fase kann wohl der Fasenwinkel oder die Größe der Fase in Betracht kommen. A cylinder head for a diesel or gasoline engine is known from DE 102008026728 A1. The cylinder head has at least one inlet channel with a valve seat and inlet valve for each individual working cylinder. In order to generate a swirl flow, the valve seat of the inlet valve is provided with a swirl chamfer, the swirl chamfers of two or all of the cylinders being designed differently. The bevel angle or the size of the bevel can be considered as the variable size of the bevel.
Aus der EP 1493910 A1 ist ein Zylinderkopf eines Dieselmotors mit Zylin derkopfboden und zwei Einlasskanälen bekannt. Jeder Einlasskanal weist einen Ventilsitz für ein Einlassventil und eine Fase im Bereich des Zylinder kopfbodens auf, die derart ausgebildet und angeordnet sind, dass eine Drallströmung des eintretenden Gases bewirkt wird. From EP 1493910 A1 a cylinder head of a diesel engine with Zylin derkopfboden and two inlet ports is known. Each inlet channel has a valve seat for an inlet valve and a chamfer in the area of the cylinder head base, which are designed and arranged in such a way that a swirling flow of the incoming gas is brought about.
Die DE 10065888 A1 offenbart ein Verfahren zum Optimieren der Drall werte für Einlasskanäle. Die EP 1215377 A1 beschreibt einen Zylinderkopf eines Diesel- oder Benzinmotors mit Zylinderkopfboden und einem Einlasskanal. Der Einlasskanal umfasst einen Ventilsitz für ein Einlassventil. An der Innenwand eines vor deren Bereiches des Einlasskanals ist eine Rippe angeordnet. DE 10065888 A1 discloses a method for optimizing the swirl values for inlet channels. EP 1215377 A1 describes a cylinder head of a diesel or gasoline engine with a cylinder head base and an inlet duct. The inlet channel comprises a valve seat for an inlet valve. A rib is arranged on the inner wall of the inlet channel in front of it.
Die Rippe erhöht die Wirbelbewegung beim Einströmen in dem Brennraum. Die Rippe kann beim Formen des Einlasskanals oder durch Bearbeitung der Innenwand des Kanals zumindest teilweise ausgebildet werden. The rib increases the vortex movement as it flows into the combustion chamber. The rib can be at least partially formed when the inlet channel is formed or by machining the inner wall of the channel.
Aus der FR 2890119 A1 ist ein Zylinderkopf eines Benzinmotors bekannt. Der Zylinderkopf weist einen Zylinderkopfboden, zwei Einlasskanäle und je einen Ventilsitz für ein Einlassventil pro Einlasskanal auf. Die Einlasskanäle umfassen im Bereich des Zylinderkopfbodens je eine Fase, die sich in Richtung auf die Auslasskanäle erstrecken. Somit wird beim Einströmen in den Zylinder eine Tumbleströmung in Richtung auf die Auslasskanäle erzeugt. A cylinder head of a gasoline engine is known from FR 2890119 A1. The cylinder head has a cylinder head base, two inlet channels and one valve seat for one inlet valve per inlet channel. In the area of the cylinder head base, the inlet ducts each include a bevel that extends in the direction of the outlet ducts. As a result, a tumble flow is generated in the direction of the exhaust ducts when it flows into the cylinder.
Die DE 19619782 A1 offenbart einen Zylinderkopf eines Diesel- oder Benzinmotors. Der Zylinderkopf weist einen Zylinderkopfboden und einen Ein lasskanal mit einem Ventilsitz für ein Einlassventil auf. Im Einlasskanal ist ein erhabener Abschnitt vorgesehen, der die Ansaugluftströmung in dem Einlasskanal in Richtung auf die dem Einlassventil nächstgelegene Zylin derwand zielt, so dass eine Tumbleströmung erzeugt wird. DE 19619782 A1 discloses a cylinder head of a diesel or gasoline engine. The cylinder head has a cylinder head base and an inlet channel with a valve seat for an inlet valve. A raised section is provided in the inlet channel which directs the intake air flow in the inlet channel in the direction of the cylinder wall closest to the inlet valve, so that a tumble flow is generated.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zylinderkopf eines Ottomotors derart auszubilden und anzuordnen, dass gezielt eine Tumbleströ mung erzeugt wird. The invention is based on the object of designing and arranging a cylinder head of a gasoline engine in such a way that a tumble flow is generated in a targeted manner.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch einen Zylinderkopf gemäß Anspruch 1 und 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unter ansprüchen enthalten. The object is achieved according to the invention by a cylinder head according to claims 1 and 8. Further advantageous embodiments are contained in the subclaims.
Dies ist insbesondere vorteilhaft bei stationären Gas-Ottomotoren mit unten liegender Nockenwelle. Stationäre Gasmotoren haben in der Regel eine unten liegende Nockenwelle, damit der jeweilige zylinderbezogene Zylinderkopf auf einfache Weise zwecks Wartung und Instandhaltung demontiert werden kann. Ein gemeinsamer Zylinderkopf für mehrere bzw. bis zu 20 oder 24 Zylinder mit integrierten Nockenwellen wäre mithin nicht nur für die Herstellung zu aufwendig, sondern auch nachteilig bei der Wartung. Damit einher geht jedoch eine beschränkte Variabilität bezüglich der An ordnung und Ausrichtung der Ein- und Auslassventile. Letzteres insbeson dere vor dem Hintergrund, dass es sich bei stationären Gas-Ottomotoren um Motoren auf Dieselbasis handelt, die von der Zylinderkopfarchitektur auf eine Drallströmung hin ausgerichtet sind. Die Funktion der Tumblefasen lässt sich wie folgt näher beschreiben. Die Tumblefasen wirken vor allem bei niedrigem Ventilhub, also beim Öffnen und beim Schließen des Ventils, wenn die Strömung durch das Ventil zwangsweise an die Fase bzw. die Anfasung geführt wird. Bei großem Ventilhub verläuft die Abströmung vom Einlasskanal primär längs der Ventilachse und wird von der Anfasung kaum beeinflusst. This is particularly advantageous in the case of stationary gasoline engines with a camshaft located at the bottom. Stationary gas engines usually have one Camshaft located at the bottom, so that the respective cylinder-related cylinder head can be easily dismantled for the purpose of maintenance and servicing. A common cylinder head for several or up to 20 or 24 cylinders with integrated camshafts would therefore not only be too expensive to manufacture, but would also be disadvantageous in terms of maintenance. However, this is accompanied by a limited variability with regard to the arrangement and alignment of the inlet and outlet valves. The latter in particular against the background that stationary gas / spark-ignition engines are diesel-based engines whose cylinder head architecture is oriented towards a swirl flow. The function of the tumble bevels can be described in more detail as follows. The tumble bevels are particularly effective when the valve lift is low, i.e. when the valve is opened and closed, when the flow through the valve is forcibly guided to the bevel or the chamfer. With a large valve lift, the outflow from the inlet channel runs primarily along the valve axis and is hardly influenced by the chamfer.
Die Anfasung führt zu einer deutlichen Verstärkung der Tumbleströmung im Zylinder. Die Effizienz dieser Maßnahme ist gut, d. h. die Ladungsbewe gung wird deutlich erhöht, ohne dass der Luftaufwand in unzulässiger Wei se beeinträchtigt wird. Die Anfasung kann in die Serienfertigung eingeführt werden, ohne dass der Zylinderkopf anderweitig umkonstruiert werden muss. Die exzentrische Anfasung kann fertigungskostenneutral umgesetzt werden. The chamfer leads to a significant increase in the tumble flow in the cylinder. The efficiency of this measure is good; H. the movement of the cargo is significantly increased without the use of air being impaired in an inadmissible manner. The chamfer can be introduced into series production without the cylinder head having to be redesigned in any other way. The eccentric chamfer can be implemented with no production costs.
Insgesamt ergibt sich beim Gasmotor ein mit erhöhtem Wirkungsgrad ver bessertes Brennverfahren. Overall, the gas engine results in an improved combustion process with increased efficiency.
Das Maximum M wird dadurch erreicht, dass die Symmetrieachse der Fase exzentrisch und/oder angestellt zur Mittelachse des Ventilsitzes angeordnet ist. Im Gegensatz zur exzentrischen Anordnung wird durch die Anstellung der Symmetrieachse erreicht, dass ein Anstellwinkel der Fasenfläche relativ zur Mittelachse über den Umfang variiert. Die exzentrische Anordnung und die Anstellung können selbstverständlich alternativ oder kombiniert vorgesehen werden. The maximum M is achieved in that the axis of symmetry of the bevel is arranged eccentrically and / or adjusted to the central axis of the valve seat. In contrast to the eccentric arrangement, the inclination of the axis of symmetry ensures that the inclination angle of the bevel surface varies over the circumference relative to the central axis. The eccentric arrangement and the employment can of course be provided alternatively or in combination.
Die Ausbildung der Fase kann demnach bestimmt sein durch ihren Flan kenwinkel, d. h. den Kegelwinkel eines exzentrisch angesetzten Fräswerk zeugs und/oder durch ihre Anstellung, d. h. den Anstellwinkel zwischen der Achse des Fräswerkzeugs und der Flächennormalen des Zylinderkopfbo dens. Der Flankenwinkel bzw. Kegelwinkel beträgt vorzugsweise zwischen 100° und 140°. Die Anstellung bzw. der Anstellwinkel beträgt vorzugsweise zwischen 0° und 10°. Durch beide Maßnahmen kann eine zur Mittelachse unsymmetrische Fase mit der gewünschten Ausrichtung erzeugt werden. Der Kegelwinkel des exzentrisch angesetzten Fräswerkzeugs und/oder der Anstellwinkel des Fräswerkzeugs werden so gewählt, dass eine effiziente Strömungsbeeinflussung erzielt wird. The formation of the bevel can therefore be determined by their flan kenwinkel, d. H. the cone angle of an eccentrically attached milling tool and / or by their employment, d. H. the angle of incidence between the axis of the milling tool and the surface normal of the cylinder head base. The flank angle or cone angle is preferably between 100 ° and 140 °. The setting or the setting angle is preferably between 0 ° and 10 °. Both measures can be used to produce a bevel that is asymmetrical to the central axis and with the desired alignment. The cone angle of the eccentrically applied milling tool and / or the setting angle of the milling tool are selected in such a way that an efficient flow control is achieved.
Beide Strömungen laufen somit im Bereich der nächstgelegenen Zylinderwand aufeinander zu und werden in günstiger Weise nach unten abgelenkt, so dass eine Tumblebewegung eingeleitet wird. Both currents thus converge in the area of the closest cylinder wall and are favorably deflected downwards so that a tumbling movement is initiated.
Erfindungsgemäß ist die Ausrichtung der Tumblefasen unter Anwendung eines der vorstehend genannten Winkel derart, dass die Strömungsablen kung in Richtung der den beiden Einlassventilen nächstgelegenen Zylinderwand zielt. Somit wird einerseits im Zusammenspiel mit der Krümmung der Zylinderwand eine Tumbleströmung generiert und andererseits aber ein Abstand der Tumblefase zur Zylinderwand gewährleistet. According to the invention, the alignment of the tumble bevels using one of the aforementioned angles is such that the flow deflection is aimed in the direction of the cylinder wall closest to the two inlet valves. Thus, on the one hand, a tumble flow is generated in interaction with the curvature of the cylinder wall and, on the other hand, a distance between the tumble bevel and the cylinder wall is ensured.
Die Exzentrizität E der Ansenkungen bzw. Tumblefase ist so gewählt, dass eine deutliche Intensivierung der Tumbleströmung erreicht wird, ohne dass die Durchflussgüte der Einlasskanäle nennenswert beeinträchtigt wird. The eccentricity E of the countersinks or tumble bevel is selected so that a significant intensification of the tumble flow is achieved without the flow quality of the inlet channels being significantly impaired.
Außerdem ist es vorteilhaft, eine Zündkerze so vorzusehen, dass sie nicht vom Tumble ausgeblasen wird. Beim Pkw-Ottomotor muss die maximale Intensität der Tumbleströmung begrenzt sein, damit der Flammenkern zwi schen den Zündkerzenelektroden nicht durch die starke Strömung ausge- blasen wird. Diese Begrenzung fällt durch Anwendung einer Kammerkerze weg. Die Kammerkerze schirmt den Zündort bzw. den Flammenkern durch die Zündkerzen-Vorkammer vor der Strömung im Brennraum ab und schafft eigene, definierte Zündbedingungen. Eine starke Tumbleströmung und eine hohe Turbulenz wirken sich daher primär auf die Verbrennung im Haupt brennraum aus und nicht direkt auf die empfindliche Entflammungsphase in der Zündkerzen-Vorkammer. Eine maximale Intensivierung der Tumbleströ mung 13 ist so möglich. Es ist vorteilhaft, wenn eine sphärisch oder torisch bzw. linsenförmig geformte Kolbenmulde 14 vorgesehen ist. Die am Einlasskanal 5 generierte Tumbleströmung 13 kann nur dann vollständig ge nutzt werden, wenn der Motor eine die Tumbleströmung unterstützende Kolbenmulde 14 aufweist. Eine solche Kolbenmulde 14 hat im Vergleich zur tiefen Mulde wie der Omega-Mulde außerdem die Vorteile, dass die Flammenwege von der Zündkerze 12 bis zum Brennraumrand besonders kurz sind und die Brennraumoberfläche klein ist. It is also advantageous to provide a spark plug in such a way that it is not blown out by the tumble. In passenger car gasoline engines, the maximum intensity of the tumble flow must be limited so that the flame core between the spark plug electrodes is not blocked by the strong flow. will blow. This limitation is eliminated by using a chamber candle. The chamber plug shields the ignition location or the flame core from the flow in the combustion chamber through the spark plug prechamber and creates its own, defined ignition conditions. A strong tumble flow and high turbulence therefore primarily affect the combustion in the main combustion chamber and not directly on the sensitive ignition phase in the spark plug prechamber. A maximum intensification of the tumble flow 13 is possible. It is advantageous if a spherically, toroidally or lenticularly shaped piston recess 14 is provided. The tumble flow 13 generated at the inlet channel 5 can only be fully used if the engine has a piston bowl 14 that supports the tumble flow. Compared to the deep bowl such as the omega bowl, such a piston bowl 14 also has the advantages that the flame paths from the spark plug 12 to the edge of the combustion chamber are particularly short and the surface area of the combustion chamber is small.
Weiter ist es von Vorteil, dass der Brennraum mit der Hilfe eines Turbola ders oder eines Kompressors gefüllt wird. It is also advantageous that the combustion chamber is filled with the aid of a turbocharger or a compressor.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfes eines stationären Gas motors ist von Vorteil, bei dem ein Fräswerkzeug zur Herstellung der Fase 11 verwendet wird, das einen Kegelwinkel aufweist und mit der Exzentrizität zur Mittelachse und/oder unter einem Anstellwinkel zur Mittelachse an gesetzt wird. A method for producing a cylinder head of a stationary gas engine is advantageous in which a milling tool is used to produce the bevel 11, which has a cone angle and is set with the eccentricity to the central axis and / or at an angle of attack to the central axis.
Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung kann es von Vorteil sein, wenn der Gasmotor mit einem vorstehend be schriebenen Zylinderkopf mit einem hohen Spüldruckgefälle betrieben wird, wobei das Spüldruckgefälle zwischen 700 mbar und 1200 mbar liegt. In connection with the design and arrangement according to the invention, it can be advantageous if the gas engine is operated with a cylinder head as described above with a high scavenging pressure drop, the scavenging pressure drop being between 700 mbar and 1200 mbar.
Beim stationären, aufgeladenen Gasmotor liegt ein hohes Spüldruckgefälle zwischen Ein- und Auslasskanal vor. Dadurch entsteht beim Öffnen der Einlassventile, bis sich die Druckverhältnisse ausgeglichen haben, zu nächst eine starke Strömung. Die Tumblefasen haben daher in diesem Zeitraum eine besonders starke Wirkung. Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn der Betrieb unter Verwendung von Miller-Steuerzeiten mit frühem Schließen der Einlassventile erfolgt, wobei das Einlassventil bei einem Kurbelwinkel KW von KW >= 20° vor UT schließt, gemessen bei einem Ventilhub von 1 mm. D. h. bei einem Kurbelwinkel KW von KW = 20° ist das Einlassventil gerade noch 1 mm geöffnet. Diese unterstützen die Tumblebewe- gung, weil die Einlassventile bereits schließen, während sich der Kolben noch zum unteren Totpunkt hinbewegt. Dadurch entsteht beim Schließen der Einlassventile wie auch beim Öffnen eine starke Strömung, die die Wir kung der Tumblefasen auch im Schließvorgang begründet. Bei Viertaktmotoren hängt die Anzahl und Anordnung der Ladungswechselorgane im Zylinder von unterschiedlichen Randbedingungen ab. Die wesentlichen Kri terien sind die Ventilanordnung und der Ventiltrieb, die Anordnung des Gemischbildners, gewünschte Füllung und Ladungsbewegung, erforderliche Grenzdrehzahl, Package, Reibung, Wartung, Steuertrieb, die damit den Aufwand und die Herstellkosten bestimmen. Als Grundausprägung der Ladungsbewegung kommen die Drallströmung, die Rotation der Zylinder ladung um die Zylinderachse sowie die Tumble-Strömung, die Rotation um die Achse senkrecht zur Zylinderhochachse bzw. um die Motorlängsachse zur Anwendung. In the case of a stationary, charged gas engine, there is a high purging pressure gradient between the inlet and outlet channels. This creates a strong flow when the inlet valves are opened until the pressure conditions have equalized. The Tumblefasen therefore have in this Period has a particularly strong effect. It can also be advantageous if the operation takes place using Miller control times with early closing of the inlet valves, the inlet valve closing at a crank angle CA of CA> = 20 ° before BDC, measured with a valve lift of 1 mm. I. E. with a crank angle KW of KW = 20 °, the inlet valve is just 1 mm open. These support the tumbling movement because the inlet valves are already closing while the piston is still moving towards bottom dead center. This creates a strong flow when the inlet valves are closed as well as when they are opened, which also explains the effect of the tumble bevels during the closing process. In four-stroke engines, the number and arrangement of the gas exchange organs in the cylinder depends on various boundary conditions. The main criteria are the valve arrangement and the valve train, the arrangement of the mixture generator, desired filling and charge movement, required limit speed, package, friction, maintenance, timing drive, which determine the effort and manufacturing costs. The basic characteristics of the charge movement are the swirl flow, the rotation of the cylinder charge around the cylinder axis and the tumble flow, the rotation around the axis perpendicular to the cylinder's vertical axis or around the longitudinal axis of the engine.
Den über den weiten Last- und Drehzahlbereich zumeist variierenden An forderungen an den Ladungswechsel hinsichtlich Füllung, Ladungszusam mensetzung und Ladungsbewegung wird häufig durch Variabilitäten Rechnung getragen, die sich auf den Öffnungsverlauf der Ventile ebenso wie auf die Geometrie der Sauganlage und in einigen Fällen auch auf die Abgas anlage erstrecken. The requirements on the gas exchange with regard to charge, charge composition and charge movement, which mostly vary over the wide load and speed range, are often taken into account by variabilities that affect the opening profile of the valves as well as the geometry of the intake system and in some cases also the Extend exhaust system.
Ladungsbewegungsklappen (Drall und Tumble) Charge movement flaps (twist and tumble)
Die Ladungsbewegung erweist sich als einer der wichtigsten Parameter für die Verbrennung, da mit ihrer Modifikation signifikante Einflüsse auf das Brennverfahren beobachtet werden können. Über eine Adaption der Ein lasskanäle und/oder der Ventilsteuerzeiten kann man ganz gezielt die Gemischbildung und den Ablauf der Verbrennung beeinflussen. Es wird versucht, über eine gerichtete Strömung die Turbulenz zu steigern und das Gemisch besser aufzubereiten sowie, beispielsweise bei der Schichtladung, die Ladung gezielt zu führen. Ebenfalls kann eine Auswirkung auf den Wandwärmeübergang, den Massetransport und die Ausbrei tungsgeschwindigkeit der Verbrennung erreicht werden. The charge movement turns out to be one of the most important parameters for combustion, as its modification can have significant effects on the combustion process. By adapting the inlet ducts and / or the valve control times, it is possible to specifically influence the mixture formation and the combustion process. Attempts are made to increase the turbulence by means of a directed flow and to prepare the mixture better and, for example in the case of stratified charging, to guide the charge in a targeted manner. An effect on the wall heat transfer, the mass transport and the propagation speed of the combustion can also be achieved.
Die Drallströmung wird bereits bei der Auslegung der Einlasskanäle berücksichtigt, wobei unterschiedliche Konfigurationen ausgeführt werden. Dafür kann einer der Kanäle als Füllungskanal ausgeführt werden. In dieser Konfiguration kann der Füllungskanal mit einer Drallklappe versehen sein, die je nach Betriebspunkt verschlossen werden kann. The swirl flow is already taken into account when designing the inlet ducts, with different configurations being implemented. One of the channels can be designed as a filling channel for this purpose. In this configuration, the filling channel can be provided with a swirl flap that can be closed depending on the operating point.
Der andere Kanal wird oft als Tangentialkanal bezeichnet und dient zur Erzeugung des Dralls. Somit strömt die Luft asymmetrisch in den Brennraum und induziert eine um die Zylinderhochachse drehende Strömungsform, wobei das Drallniveau gegebenenfalls mit zunehmender Anstellung der Drallklappe verstärkt werden kann. The other channel is often referred to as the tangential channel and is used to generate the twist. The air thus flows asymmetrically into the combustion chamber and induces a flow shape that rotates around the vertical axis of the cylinder, with the swirl level being able to increase as the swirl flap is adjusted more and more.
Die Öffnung des Füllungskanals ist nur in Bereichen hoher Drehzahlen bzw. hin zur Volllast zielführend. Unterstützt wird die Drallströmung durch eine geeignete Ausführung der Kolbenform, wobei sich hier die sogenannten Omega-Muldenkolben bewähren. Der Drall bleibt außerdem, im Gegensatz zum Tumble, auch in der Kompressionsphase erhalten. The opening of the filling channel is only expedient in areas of high speeds or towards full load. The swirl flow is supported by a suitable design of the piston shape, with the so-called omega-bowl pistons proving themselves here. In contrast to the tumble, the twist is also retained in the compression phase.
Tumble Tumble
Der Tumble stellt eine Strömung um eine Achse senkrecht zur Zylinder hochachse dar. Erreicht wird diese Strömungsrichtung dadurch, dass die Luft durch bestimmte Maßnahmen am Einlass gezwungen wird, durch den oberen Teil des Ansaugkanals zu strömen. Dazu wird entweder der An saugkanal mit einer Form versehen, die die Strömung im oberen Kanalteil unterstützt, oder der untere Teil des Kanals über eine darin angeordnete Klappe verschlossen. Die Drehklappe verschließt den unteren Teil des An- saugkanals und sorgt damit für eine Querschnittsverengung, mit der eine Erhöhung der Geschwindigkeit einhergeht. The tumble represents a flow around an axis perpendicular to the cylinder's vertical axis. This flow direction is achieved in that certain measures at the inlet force the air to flow through the upper part of the intake duct. For this purpose, either the suction channel is provided with a shape that supports the flow in the upper part of the channel, or the lower part of the channel is closed by a flap arranged in it. The rotary flap closes the lower part of the suction duct and thus ensures a narrowing of the cross-section, which is accompanied by an increase in speed.
Dies führt zu einer Steigerung der kinetischen Energie. Der Tumble ist im Vergleich zum Drall nicht unabhängig von der Kolbenbewegung, was dazu führt, dass er im OT in einzelne Turbulenzwirbel zerfällt. Dieses Verhalten ist bei Ottomotoren erwünscht, weil dadurch eine hohe Turbulenz erzeugt wird. Hier unterstützt ein besonders ausgeführter Kolben, beispielsweise mit Nase oder als Linsenkolben, die Umlenkung der Tumble-Strömung. This leads to an increase in the kinetic energy. In comparison to the swirl, the tumble is not independent of the piston movement, which means that it breaks up into individual turbulence eddies at TDC. This behavior is desirable in gasoline engines because it creates a high level of turbulence. Here, a specially designed piston, for example with a nose or as a lens piston, supports the deflection of the tumble flow.
Für die Quantifizierung der Drall- und auch der Tumble-Strömung existieren mehrere unterschiedliche Kennzahlen. Eine weit etablierte Charakterisierung erfolgt über die Drall- bzw. Tumble-Zahl ZD,T. Sie ist definitionsgemäß das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeit der Ladungsbewegung WD oder WT zur Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle W«. There are several different key figures for quantifying the swirl and tumble flow. A well-established characterization takes place via the twist or tumble number ZD, T. By definition, it is the ratio of the angular velocity of the charge movement WD or WT to the angular velocity of the crankshaft W «.
Weitere Möglichkeiten zur gezielten Beeinflussung des Ladungswechselvorgangs bieten Phasensteller für die Einlass- und Auslassseite sowie teil- und vollvariable Ventilhubsysteme. Phase adjusters for the intake and exhaust side as well as partially and fully variable valve lift systems offer further options for targeted influencing of the gas exchange process.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprü chen und in der Beschreibung erläutert und in den Fig. dargestellt. Es zei gen: Further advantages and details of the invention are explained in the patent claims and in the description and shown in the figures. Show it:
Fig. 1 eine Prinzipskizze des Zylinderkopfs in der Ansicht von unten,Fig. 1 is a schematic diagram of the cylinder head in the view from below,
Fig. 2 eine Prinzipskizze einer Schnittdarstellung des Zylinderkopfs,2 shows a schematic diagram of a sectional illustration of the cylinder head,
Fig. 3 eine schematische Darstellung von Drall- und Tumbleströmung,3 shows a schematic representation of swirl and tumble flow,
Fig. 4 Tumbleerzeugung, 4 Tumble generation,
Fig. 5 einen Schnitt durch eine Brennkraftmaschine mit exzentrischer Tumblefase. 5 shows a section through an internal combustion engine with an eccentric tumble bevel.
In Fig. 1 ist eine Prinzipskizze des Zylinderkopfs 1 in der Ansicht von unten dargestellt. Zu sehen sind die Einlassventile 3, die Auslassventile 4 und die Zündkerze 12. Weiter ist der Einlasskanal 5 zu sehen, der die Frischluft zu den Einlassventilen 3 bringt. Nachdem die Frischluft durch den Einlasskanal hindurchgeströmt ist, muss sie die Ventile 3 passieren und kommt zwangsläufig in den Bereich der exzentrischen Tumblefase 10 am Einlass ventil. Die exzentrische Tumblefase 10 am Einlassventil 3 ist auf der ent- gegengesetzten Seite des Ventiltellers angeordnet wie der Einlasskanal 5. In Fig. 1, a schematic diagram of the cylinder head 1 is shown in a view from below. The inlet valves 3, the outlet valves 4 and the spark plug 12 can be seen. Furthermore, the inlet channel 5 can be seen, to which the fresh air is closed brings the inlet valves 3. After the fresh air has flowed through the inlet channel, it has to pass the valves 3 and inevitably comes into the area of the eccentric tumble bevel 10 on the inlet valve. The eccentric tumble bevel 10 on the inlet valve 3 is arranged on the opposite side of the valve disk as the inlet channel 5.
Von den Auslassventilen weg führt der Auslasskanal 6, durch den hindurch die Abgase strömen, nachdem sie die geöffneten Auslassventile 4 passiert haben. The outlet channel 6, through which the exhaust gases flow after they have passed the opened outlet valves 4, leads away from the outlet valves.
Fig. 2 stellt eine Prinzipskizze der Darstellung aus Fig. 1 in der Seitenansicht dar. Zu sehen sind die Einlassventile 3, die Auslassventile 4 und die Zündkerze 12. Weiter ist der Einlasskanal 5 zu sehen, der die Frischluft zu den Einlassventilen 3 bringt. Nachdem die Frischluft durch den Einlasska- nal hindurchgeströmt ist, muss sie die Ventile 3 passieren und kommt zwangsläufig in den Bereich der exzentrischen Tumblefase 10 am Einlass ventil. Die exzentrische Tumblefase 10 am Einlassventil 3 ist auf der ent gegengesetzten Seite des Ventiltellers angeordnet wie der Einlasskanal 5. Von den Auslassventilen weg führt der Auslasskanal 6, durch den hindurch die Abgase strömen, nachdem sie die geöffneten Auslassventile 4 passiert haben. FIG. 2 shows a schematic diagram of the illustration from FIG. 1 in a side view. The inlet valves 3, the outlet valves 4 and the spark plug 12 can be seen. The inlet channel 5, which brings the fresh air to the inlet valves 3, can also be seen. After the fresh air has flowed through the inlet duct, it has to pass the valves 3 and inevitably comes into the area of the eccentric tumble bevel 10 on the inlet valve. The eccentric tumble bevel 10 on the inlet valve 3 is arranged on the opposite side of the valve disk than the inlet channel 5. The outlet channel 6 leads away from the outlet valves, through which the exhaust gases flow after they have passed the open outlet valves 4.
In Fig. 3 ist eine schematische Darstellung von Drall- und Tumbleströmung zu sehen. A schematic representation of swirl and tumble flow can be seen in FIG. 3.
Fig. 4 zeigt schematisch, wie ein Tumble erzeugt wird. 4 shows schematically how a tumble is generated.
In Fig. 5 wird ein Schnitt durch eine Brennkraftmaschine mit exzentrischer Tumblefase 11 offenbart. Zu sehen sind die Einlassventile 3, die Auslass ventile 4 und die Zündkerze 12. Weiter ist der Einlasskanal 5 zu sehen, der die Frischluft zu den Einlassventilen 3 bringt. Nachdem die Frischluft durch den Einlasskanal hindurchgeströmt ist, muss sie die Ventile 3 passieren und kommt zwangsläufig in den Bereich der exzentrischen Tumblefase 10 am Einlassventil. Die exzentrische Tumblefase 10 am Einlassventil 3 ist auf der entgegengesetzten Seite des Ventiltellers angeordnet wie der Einlass kanal 5. Von den Auslassventilen weg führt der Auslasskanal 6, durch den hindurch die Abgase strömen, nachdem sie die geöffneten Auslassventile 4 passiert haben. In FIG. 5, a section through an internal combustion engine with an eccentric tumble bevel 11 is disclosed. The inlet valves 3, the outlet valves 4 and the spark plug 12 can be seen. The inlet channel 5, which brings the fresh air to the inlet valves 3, can also be seen. After the fresh air has flowed through the inlet channel, it has to pass the valves 3 and inevitably comes into the area of the eccentric tumble bevel 10 at the inlet valve. The eccentric tumble bevel 10 on the inlet valve 3 is arranged on the opposite side of the valve disk as the inlet channel 5. The outlet channel 6, through which the exhaust gases flow after they have passed the open outlet valves 4, leads away from the outlet valves.
Bei einem Querstrom Zylinderkopf für einen Ottomotor, der mit einem tumblebasierten Brennverfahren betrieben wird, wird die Strömung aus den beiden Einlassventilen so umgelenkt, dass sich im Zylinder eine Tumble- strömung ergibt. Dazu wäre eine flache Neigung der Einlasskanäle wün schenswert. Dies kann aber aus konstruktiven Gründen nicht im gewünschten Maße erfolgen, z. B. wegen vorhandener Kühlkanäle. In the case of a cross-flow cylinder head for a gasoline engine that is operated with a tumble-based combustion process, the flow from the two inlet valves is deflected in such a way that a tumble flow results in the cylinder. For this purpose, a shallow incline of the inlet channels would be desirable. For structural reasons, however, this cannot be done to the desired extent, e.g. B. because of existing cooling channels.
Anstatt einer extrem flachen Anordnung der Einlasskanäle werden die Fa sen am Austritt der Einlasskanäle exzentrisch in Austrittsrichtung ausgeführt. Dadurch strömt die Frischluft bzw. das Gas/Luft-Gemisch bevorzugt so in den Brennraum, dass der Tumble entsteht. Instead of an extremely flat arrangement of the inlet channels, the fibers at the outlet of the inlet channels are designed eccentrically in the outlet direction. As a result, the fresh air or the gas / air mixture preferably flows into the combustion chamber in such a way that the tumble occurs.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
1 Zylinderkopf 1 cylinder head
2 Kurbelgehäuse 3 Einlassventil 2 crankcase 3 inlet valve
4 Auslassventil 4 exhaust valve
5 Einlasskanal 5 inlet port
6 Auslasskanal 6 exhaust port
7 Kolben 8 Ventilsitz Einlassventil 7 piston 8 valve seat inlet valve
9 Ventilsitz Auslassventil 9 Valve seat exhaust valve
10 Exzentrische Tumblefase am Einlassventil10 Eccentric tumble bevel on the inlet valve
11 Fasenwinkel 11 bevel angles
12 Zündkerze 13 Tumble 12 spark plug 13 tumble
14 Kolbenmulde 14 Piston recess

Claims

A N S P R Ü C H E EXPECTATIONS
1. Brennkraftmaschine, insbesondere Ottomotor, umfassend wenigstens ein Kurbelgehäuse (2), wenigstens einen Zylinderkopf (1), wobei der Zylinderkopf wenigstens ein Einlassventil (3) und wenigstens ein Auslassventil (4) aufweist, wobei das Einlassventil (3) und das Auslassventil (4) je einen Ventilsitz (8, 9) aufweisen sowie wenigstens einen Einlasskanal (5) und wenigstens einen Auslasskanal (6) und wenigstens einen Kolben mit Kol benringen sowie der korrespondierenden Kurbelwelle, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Einlassventils (3) und dem zugehörigen Ventilsitz (8) eine exzentrische Tumblefase (10) angeordnet ist. 1. Internal combustion engine, in particular Otto engine, comprising at least one crankcase (2), at least one cylinder head (1), the cylinder head having at least one inlet valve (3) and at least one outlet valve (4), the inlet valve (3) and the outlet valve ( 4) each have a valve seat (8, 9) and at least one inlet channel (5) and at least one outlet channel (6) and at least one piston with piston and the corresponding crankshaft, characterized in that in the area of the inlet valve (3) and the associated valve seat (8) an eccentric tumble bevel (10) is arranged.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die exzentrische Tumblefase (10) in Strömungsrichtung der einströmenden Frischluft zwischen Einlass- und Aus lassventil angeordnet ist. 2. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the eccentric tumble bevel (10) is arranged in the flow direction of the incoming fresh air between the inlet and outlet valve.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die exzentrische Tumblefase (10) zur Mitte des Brennraumes hin im Bereich des Ventilsitzes des Einlassventils (8) angeordnet ist. 3. Internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterized in that the eccentric tumble bevel (10) is arranged towards the center of the combustion chamber in the region of the valve seat of the inlet valve (8).
4. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die exzentrische Tumblefase (10) einen Winkel von etwa 20 - 25 Grad zwischen Zylinderkopf (1) und dem Ventilteller des Einlassventils (3) im geschlossenen Zustand bildet. 5. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die exzentrische Tumblefase (10) einen Winkel von etwa 22,4. Internal combustion engine according to one or more of the preceding claims, characterized in that the eccentric tumble bevel (10) forms an angle of about 20-25 degrees between the cylinder head (1) and the valve disk of the inlet valve (3) in the closed state. 5. Internal combustion engine according to one or more of the preceding claims, characterized in that the eccentric tumble bevel (10) has an angle of about 22,
5 Grad zwischen Zylinderkopf (1) und dem Ventilteller des Einlassventils (3) im geschlossenen Zustand bildet. 5 degrees between the cylinder head (1) and the valve head of the inlet valve (3) when closed.
6. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten6. Internal combustion engine according to one or more of the aforementioned
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens eine Zündkerze aufweist. Claims, characterized in that it has at least one spark plug.
7. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten7. Internal combustion engine according to one or more of the aforementioned
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine gasbetriebene Brennkraftmaschine ist. Claims, characterized in that it is a gas-powered internal combustion engine.
8. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten8. Internal combustion engine according to one or more of the aforementioned
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens einen Turbolader aufweist. Claims, characterized in that it has at least one turbocharger.
9. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten9. Internal combustion engine according to one or more of the aforementioned
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens einen Kompressor aufweist. Claims, characterized in that it has at least one compressor.
10. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche zum Einsatz kommt. 10. A method for operating an internal combustion engine, characterized in that an internal combustion engine according to one or more of the preceding claims is used.
PCT/EP2020/000141 2019-09-04 2020-08-05 Internal combustion engine with eccentric tumble chamfer for a petrol engine with a four-valve/crossflow cylinder head WO2021043431A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019006238.8 2019-09-04
DE102019006238.8A DE102019006238A1 (en) 2019-09-04 2019-09-04 Internal combustion engine with eccentric tumble bevel for a gasoline engine with four-valve / cross-flow cylinder head

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021043431A1 true WO2021043431A1 (en) 2021-03-11

Family

ID=72050793

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2020/000141 WO2021043431A1 (en) 2019-09-04 2020-08-05 Internal combustion engine with eccentric tumble chamfer for a petrol engine with a four-valve/crossflow cylinder head

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102019006238A1 (en)
WO (1) WO2021043431A1 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020125865A1 (en) 2020-10-02 2022-04-07 Man Truck & Bus Se Tumble-based gas combustion process for a gasoline engine
CN113404612B (en) * 2021-08-19 2021-12-21 潍柴动力股份有限公司 Engine cylinder cover and gas engine
CN113404611A (en) * 2021-08-19 2021-09-17 潍柴动力股份有限公司 Cylinder head and gas engine
DE102021005649A1 (en) 2021-11-15 2023-05-17 Daimler Truck AG Hydrogen engine and motor vehicle with such a hydrogen engine

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2890119A1 (en) * 2005-08-30 2007-03-02 Renault Sas Internal combustion engine`s cylinder head for motor vehicle, has pipe with mouth comprising transversal section inclined with respect to face of roof to cooperate with head of valve to direct part of gas flow towards roof top
WO2013023858A1 (en) * 2011-08-12 2013-02-21 Mwm Gmbh Cylinder head with tumble bevel

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2890119A1 (en) * 2005-08-30 2007-03-02 Renault Sas Internal combustion engine`s cylinder head for motor vehicle, has pipe with mouth comprising transversal section inclined with respect to face of roof to cooperate with head of valve to direct part of gas flow towards roof top
WO2013023858A1 (en) * 2011-08-12 2013-02-21 Mwm Gmbh Cylinder head with tumble bevel

Also Published As

Publication number Publication date
DE102019006238A1 (en) 2021-03-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2021043431A1 (en) Internal combustion engine with eccentric tumble chamfer for a petrol engine with a four-valve/crossflow cylinder head
DE102011110072B4 (en) Cylinder head with Tumblefase
EP0814245B1 (en) Method and device for operating a spark ignited piston internal combustion engine
DE4437279B4 (en) engine air induction
AT514637B1 (en) Piston of an internal combustion engine
EP1966477B1 (en) Internal combustion engine with an improved charging action in the combustion chamber
EP0396676A1 (en) Internal combustion engine.
DE102016212951A1 (en) Direct-injection spark-ignition internal combustion engine with injection device arranged in the cylinder tube and method for operating such an internal combustion engine
DE19741380A1 (en) Direct-injection piston engine with injector at inlet side
WO2010081491A1 (en) Small direct-injecting diesel engine
DE102011000893A1 (en) Method for controlling charging of combustion chamber and for variable control of inlet valves of internal combustion engine, particularly reciprocating piston engine, involves introducing air or fuel-air mixture in combustion chamber
DE102014018545A1 (en) A method of operating an internal combustion engine for a motor vehicle and internal combustion engine for a motor vehicle
DE102006037413B4 (en) Direct-injection spark-ignition internal combustion engine and method for operating such an internal combustion engine
DE19962293A1 (en) Piston internal combustion engine has direct fuel injection, roof-shaped cylinder ceiling and piston base in vertical section, one roof surface associated with inlet valves, one with outlet valve
DE19635886A1 (en) Method for improving the combustion process of an internal combustion engine and internal combustion engine
EP1443188B1 (en) Reciprocating piston internal combustion engine with gasoline direct injection
DE102012210303A1 (en) Spark ignition internal combustion engine i.e. petrol engine, for use as drive for motor car, has outer cylinders whose exhaust openings have prolonged aperture duration, and inner cylinders whose openings have short aperture duration
DE102015014753A1 (en) Cylinder head for an internal combustion engine, in particular a motor vehicle
DE102015219895A1 (en) Direct injection internal combustion engine with piston and method for producing a piston of such an internal combustion engine
DE102009043479A1 (en) Self-igniting internal combustion engine has cylinder, injection system for direct fuel injection in combustion chamber of cylinder and exhaust gas turbocharger
DE102009037963B4 (en) Internal combustion engine with throttle-free load control
DE102007042419A1 (en) Gasoline engine for vehicle, has cylinder in which piston moves longitudinally, for implementing operating cycle comprising multiple stroke between lower and upper dead centers
DE102013221308A1 (en) Method for mixture formation in a direct-injection spark-ignited internal combustion engine and internal combustion engine for carrying out such a method
DE202016104439U1 (en) Direct-injection spark-ignited internal combustion engine with injection device arranged in the cylinder tube
DE102016205875A1 (en) Direct-injection spark-ignition internal combustion engine with injection device arranged in the cylinder tube and method for operating such an internal combustion engine

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20754613

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20754613

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1