DE1751664A1

DE1751664A1 - Drallerzeugender Einlasskanal

Info

Publication number: DE1751664A1
Application number: DE19681751664
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl-Ing Blank
Original assignee: Motoren Werke Mannheim AG
Current assignee: Caterpillar Energy Solutions GmbH
Priority date: 1968-07-06
Filing date: 1968-07-06
Publication date: 1972-01-27
Also published as: DK129870C; GB1239100A; CH494345A; NL6910154A; NO121475B; US3590797A; ES369199A1; FR2014528A1; SE340915B; DK129870B; BE735704A

Description

MOTOREN - WBBKEM A N NHEI M AG vorm. BEH Z Abt. stat. Motorenbau, 6800 Mannheim, Carl - Benz ~ ßtrasse

Drallerzeugender Einlaßkanal

Die Erfindung bezieht sich auf einen drallerzeugenden Einlaß= kanal für selbstzündende luftverdichtend© Brennkraftmaschinen mit Brennstoffeinspritzung quer zur Strömungsrichtung der ein** tretenden, um die Zylinderachse kreisenden Verbrennungsluft, der von einer seitlichen Eintrittsöffnung amZylinderkopf zu zwei in Strömungerichtung der eintretenden Luft hintereinander lie« genden Ventilsitzen für die hängend im Zylinderkopf angeordneten Einlaßventile führt und senkrecht zur Zylinderachse gesehen, bogenförmig und sich verengend derart zu den im Zylinderboden lie« genden Ventilsitzen hin verläuft, daß die eintritts- und boden* eeitige Ausgangsstelle des zu dem ersten Ventilsitz führenden ersten bogenförmigen Auslaufs dem Zylinderboden näher liegt als die eintritts- und bodenseitige Ausgangsstelle des zu dem zwei« ten Ventilsitz führenden zweiten bogenförmigen Auslaufs, wobei, jeweils in Richtung der Zylinderachse gesehen, die innere Kanal« seitenwand die Innenflächen der Ventilsitze tangiert und di® au« ßere Kanalseitenwand an dem ersten Ventilsitz in der Nähe des in den Zylinderkopf fortgesetzt gedachten Zylinderumfanges vorbei führt und die Innenfläche dee zweiten Ventilsitzes tangiert uadan der Ausgangsetell© des ersten Auslaufe ein kreissegmentfö^mi** ger Abdeckschirm aiit seiner Innenkante etwa in Richtung aines von der Zylinderachse auegehenden Radius sich erstreckend asiga<* bracht ist.

Es ist ein Einlaßkanal mit einem Abdeckschirm ander eintritts-- und bodenseitigen des au dem ersten Ventilsitz führenden- Kanal· ■tückee bekannt,*) ,der..eich von dem eingange beschrieben®!! Kanal durch eine stark abweichende Lage und Form der Innenkante'

*) Britische Patentschrift 587 2^rfe>. ■ -.2

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BAD ORlQiWAL

des Abdeckschirmes und des zu dem ersten Ventilsitz führenden Auslaufe, sowie durch die relative Lage der eintritts- und boden= 8eitigen Ausgangsstellen zueinander unterscheidet. Gemäß den der Erfindung zu Grunde liegenden Erkenntnissen wird durch diese Ab» ~VeIcfiünge^~aie~TuTtdurcheä"t^zmenge durcTi das"^f st^ EInta(Tven^it vermindert und wegen der Lage des Schirmes ein Zustandekommen einer Blockdrallströmung im Zylinder in Frage gestellt.

Ss ist ein weiterer Einlaßkanal bekannt ^xx), der sich von der eingangs beschriebenen Bauart dadurch unterscheidet, ciaß er nicht von einer, sondern von zwei Eintrittsöffnungen ausgeht, sowie weiter dadurch, daß er keinen Abdeckschirm aufweist. Diese Unterschiede ergeben eine aufwendige Bauart von Zylinderkopf und Einlaßsammeirohr, sowie eine zur wirksamem Gemischbildung bei schnellaufenden Brennkraftmaschinen mit Brennstoffeinspritzung quer zu der im Zylinder kreisenden Verbrennungsluft ungeeignete schwache Luftbewegung.

Es ist schließlich ein dritter Einlaßkanal bekannt ^X3CX), der sich von der eingange beschriebenen Bauart durch das Vorhandensein von Abdeckschirmen an beiden Ventilöffnungen, sowie dadurch unter« scheidet, daß er eich bei bogenförmige» Verlauf nicht zu den Ventil» sitzen hin verengt. Die Durchflußbeiwerte dieses bekannten Kanals lassen zu wünschen übrig und außerdem ist die Intensität der er» zeugten Blockdrallströmung von relativ geringfügigen Form- und Lageabweichungen der Abdeckschirme abhängig.

Demgegenüber besteht die Aufgebe der Erfindung darin, die Nachteile der bekannten Bauarten zu vermeiden d.h. einen Einlaßkanal zu schaffen, der gute Durchflußeigenachaften aufweist, eine für die Gemischbildung bei schnellaufenden Brennkraftmaschinen mit Brennstoffeinspritzung quer zu der im Zylinder kreisenden Luft auereichende, intensive Luftwirbelung von der Art einer Block» drallBtrömung erzeugt, sowie weitgehend unempfindlich gegen fertigungebedingte Maß- und Lageabweichungen dee Abdeckechirmes ist.

**) U.S. Patentschrift 2 318 914 ³^*) Deuteche Auelegeechrift 1 251 998. ' - 3 .

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Diese Aufgabe wird an einem Einlaßkanal der eingangs beschrie= benen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Innenkante des Abdeckschirmes peneigt zur Achse des ersten Einlaßventiles von der Ausgangsstelle des ersten Auslaufs zur Ausgangsstelle

des zweiten Auslaufs hin verläuft und von der Einlaßventil« achse einen Abstand von 0,25 bis 0,4-5 des Innendujrchmessers_des ersten Ventilsitzes hat.

Ein strömungstechnisch ungünstiger, sehr kleiner Abstand der Schirminnenkaaite von dem Ventilschaft kann bei gegebener relativ großer Schirmfläche zweckmäßig'dadurch vermieden werden, daß der Abdeckschirm, in Richtung der Zylinderachse sesehen, sichelför= migen Umriß hat, wobei die Achtung einer an die Innenkante an= gelegten Sehne etwa in Richtung eines von der Zylinderachse ausgehenden Radius verläuft«

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch den Einlaßkanal längs der Linie" I - I in Fig. 2, der den Kanalverlauf senkrecht zur Zylinderachse gesehen veranschaulicht.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den Einlaßkanal längs der Linie II - II in Fig. 1 , der den Kanalverlauf in Richtung der Zylinderachse gesehen veranschaulicht.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch.-den-Abdeckechirm längs der Linie III - III in Fig. 2.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch den ersten Ventilsitz längs der Linie IV - IV in Fig. 2.

Fig. 5 zeigt eine Fig. 2 entsprechende Draufsicht auf den er* sfren Vehtileitz, Jedoch mit einem anders geformten Abdeckschirm.

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ßAD

Der Einlaßkanal führt von der Eintrittsöffnung 1 zu dem ersten Ventilsitz 2 und von dort in Etrömungsrichtung der eintretenden Luft zu dem zweiten Ventilsitz 3- Die hängend im Zylinderkopf 4 angeordneten Einlaßventile 5 und 6 arbeiten mit den Ventilsitzen 2 und 3 zusammen. Der Einlaßkanal verläuft, wie in Fig. 1 dar« gestellt, bogenförmig und sich verengend zu den im Zylinderboden

7 liegenden Ventilsitzen 2 und 3· Die der Eintrittsöffnung 1 und dem Zylinderboden 7 zugewandte Ausgangsstelle 8 des zu dem ersten Ventilsitz 2 führenden ersten bogenförmigen Auslaufs 9 liegt dem Zylinderboden 7 näher als die der Eintrittsöffnung 1 und dem Zylinderboden 7 zugewandte Ausgangsstelle 10 des zu dem zweiten Ventilsitz 3 führenden zweiten bogenförmigen Auslaufs 11. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, tangiert die innere Kanalseitenwand 12 die Innenflächen 13 und 14 der Ventilsitze 2 und 3· Die äußere Kanalseitenwand 15 führt an dem ersten Ventilsitz 2 in der Nähe des in den Zylinderkopf fortgesetzt gedachten Zylinderumfanges 16 vorbei und tangiert die Innenfläche 14 des zweiten Ventilsitzes 3· An der Ausgangsstelle 8 ist ein kreiesegmentförmiger Abdeck» schirm 17 angebracht, der wie Fig. 3 zeigt, aus der Ausgangsstelle

8 herauswächst d.h. einen Bestandteil des Zylinderkopfgußstückes darstellt. Die Innenkante 18 des Abdeckschirmes 17 erstreckt sich etwa in Richtung des von der Zylinderachse 19 ausgehenden Radius 20. Die Innenkante 18 verläuft geneigt zu der Achse 21 des ersten Einlaßventiles 5· Der Abdeckschirm 17 bzw. seine Innenkante 18 erstreckt sich von der Ausgangsstelle 8 zu der Ausgangestelle 10. Die Innenkante 18 hat einen Abstand a von der Achse 21, der 0,25 bie 0,45 des Innendurchmessers d des ersten Ventilsitzes 2 beträgt. Bei dem in Fig. 5 dargestellten Abdeckschirm 22 ist die Innenkante

23 bogenförmig ausgebildet. Die an die Kante 23 angelegte Sehne

24 verläuft etwa in Richtung des Radius 20.

Die Wirkungsweise dee vorstehend beschriebenen liinlaßkanals kann folgendermaßen erklärt werden ι

Der Brennstoff wird von einer in der Zylinderachse 19 oder in der Nahe dieser Stelle angeorneten Einspritzdüse 25 kurz vor dem oberen Totpunkt in mehreren üinzelstrahlen in den Zylinder ein-

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gespritzt. Die einzelnen Brennstoffstrahlen sind von der Düsen* spitze aus nach außen radial gerichtet und verlaufen leicht schräg zum Zylinderboden 7 mit zunehmendem Abstand von demselben. Diese Brennstoffstrahlen sind in der Zeichnung nicht dargestellt. Zur Veranschaulichung der Gemischbildung geht man von der Vorstellung aus, daß die im Zylinder kreisenden Luftteilchen die Sektoren zwischen den einzelnen Brennstoffstrahlen während der Einspritz» dauer gerade durchlaufen müssen, wenn die Gemischbildung gut sein soll. Dabei wird angenommen, daß der einzelne Brennstoffstrahl so verweht wird, daß er den stromabwärts liegenden nächsten Sektor etwa ausfüllt und dabei dort die zu seiner Verbrennung benötigte Luft vorfindet. Versuche haben ergeben, daß eine ganz bestimmte Wirbeldrehzahl bei einer bestimmten Einspritzdauer ™ und Zahl der Brennstoffstrahlen die beste Gemischbildung ergibt. Wenn der Kolben während des Einlaßhubee nach unten geht, wird der Zylinder-inhalt auf Grund der oben beschriebenen Gestalt und Anordnung der Abdeckschirme 17 oder 22 und des Einlaßkanales, insbesondere des zweiten Auslaufs 11 in kreisende Bewegung um die Zylinderachse 19 versetzt, die während des darauffolgenden Verdichtungshubes erhalten bleibt. Der Forderung, daß die Sektoren zwischen den einzelnen Brennstoffstrahlen von den kreisenden Luftteilchen gerade während der Einepritzdauer durchlaufen werden · entspricht eine sogenannte Blockdrallströmung, bei der die Ge» schwindigkeit der Luftteilchen am Zylinderumfang 16 größer ist als in der Nähe der Zylinderachse 19. Dies wird durch die er= findungsgemäße Anordnung und Gestalt der Abdeckschirme 17 oder 22, sowie durch die Form des Einlaßkanalee, insbesondere des zweiten Auelaufs 11 erreicht, die bewirken, daß die in den Zylinder einströmende Luft nach außen gegen den Zylinderumfang gedrängt wird. Das Optimum der Gemischbildung äußert sich in den besten Werten von mittlerem effektivem Druck, Abgastrübung, spezifischem Brennstoffverbrauch, Druckverlauf und Luftausnutzung.

Die Wirkung des Kanalverlaufes und der Abdeckechirme 17 oder 22 kann folgendermaßen erklärt werden:

Aus einem geöffneten Tellerventil strömt die Luft etwa in Richtung

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der Sitzfläche d.h. schräg nach unten. Führt zu diesem Ventil ein Ventilkanal, der gleichachsig zur Ventilachse verläuft,so sind Austrittsgeschwindigkeit und Richtung der in den Zylinder eintretenden Luft am gesamten Ventilumfang gleich. Eine solche Luftströmung kann keine Drehbewegung im Zylinder anfachen, denn die in einer senkrecht zur Zylinderachse verlaufenden ^uerebene liegenden Komponenten aller Geschwindigkeitsvektoren am Ventil= umfang heben sich, da sie gleich groß und entgegengesetzt e;erich= tet sind, gegenseitig auf.

Führt ein Ventilkanal, dessen Haupterstreckungsrichtung quer zur Ventilachse verläuft, zu einem geöffneten Tellerventil, so ist die Geschwindigkeitsverteilung der am Ventilumfang ausströmenden Luft ungleich, und zwar ist die Geschwindigkeit der durch den Ventilspalt strömenden Luft dort am größten, wo die aus dem Ven= tilkanal zuströmende Luft die geringste Umlenkung erfährt, und dort am kleinsten, wo ihr die größte Umlenkung aufgezwungen wird. Die in Fortsetzung der Zuströmrichtung im Ventilkanal liegenden Geschwindigkeitsvektoren sind daher am größten und damit auch ihre Komponenten in der Querebene. Eine vektorielle Addition dieser Komponenten ergibt eine einheitliche Resultierende, die der im Zylinder befindlichen Luft eine Drehbewegung aufzwingt, wenn das Ventil, wie üblich, einseitig in der Nähe des Zylinäer= umfange8 angeordnet ist und wenn der Kanal etwa tangential zum Zylinderumfang verläuft. Addiert man die Querkomponenten der Geschwindigkeitsvektoren sämtlicher in dem Ventilkanäl verlau= fender Stromfäden kurz vor Erreichen der Sitzpartie vektoriell, so erhält man eine resultierende Querkomponente, die in Richtung der Skel-ettlinie 26 verläuft. Die Richtung dieser resultierenden Querkomponente stimmt mit der Richtung der Resultierenden aus den Querkomponenten der Geschwindigkeitsvektoren am Ventilumfang überein. Das bedeutet, daß die Richtung der Skelettlinie 26 in der Gegend kurz vor den Ventilsitz 3 die Hauptrichtung der aus dem Ventil 6 strömenden Luft bestimmt.

Eine «rleichartige, aber intensivere Wirkung kann durch einen am Ventilsitz angebrachten Abdeckschirm erzeugt werden. Dabei wird die Geschwindigkeit der Luft an den durch den Abdeckschirm abgedeckten Teilen des Ventilumfanges durch die von den Abdeckschirm

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erzeugten Wirbelungsverluste stark vermindert. Die Geschwindig= keitsvektoren an den abgedeckten Teilen des Ventilumfanges und damit ihre Komponenten in der Querebene sind viel kleiner als am unabgedeckten Umfang. Durch vektorielle Addition aller Quer* komponenten ergibt sich eine Resultierende in Richtung der Schirm« mittellinie des Abdeckschirmes und zwar mit einer Richtung von der Ventilachse 21 ausgehend zum unabgedeckten Umfang hin. Der durch das Einlaßventil 5 strömenden Luft wird demnach diese Richtung aufgezwungen, die im vorliegenden Pail mit der Linie III - III übereinstimmt.

Eine wirksame d.h. zur Anfachung der erforderlichen Blockdrallströmung entsprechend gerichtete und genügend kräftige Luftein= strömung in den Zylinder hat nicht nur eine entsprechende Form und Lage des Einlaßkanales und des Abdeckschirmes zur Voraussetzung, sondern auch eine möglichst verlust- und ablösungsfreie besohlen·= nigte Stömung im Bereich dieser Kanalpartien. Dieser Forderung entspricht der sich verengende Querschnittsverlauf des Auslaufes 11, sowie die Lage des Abdeckschirmes 17» die eine Führung des Luftstromes in den Auslauf 11 ohne wesentliche Wirbelbildung be* wirkt. Die Strömung um den Abdeckschirm zu dem Ventilsitz 2 ist zwar nicht wirbelfrei aber der aus dem Ventil 5 austretende Luft« strom würde ohne die Richtwirkung des Abdeeckschirmes 17 nichts zur Erzeugung der erforderlichen Blockdrallströmung beitragen können. Die Schräge Lage der Innenkante 18 und die angegebenen Werte für den Abstand a von der Achse 21 bewirken jedoch, daß f sich die Wirbelungsverluste im Hinblick auf das angestrebte Gesamtergebnis in vertretbaren Grenzen halten.

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Claims

Patentansprüche

1. Brallerzeugender Einlaßkanal für selbstzündende, luftver* dichtende Brennkraftmaschinen mit Brennstoffeinspritzung auer zur Strömungsrichtung der eintretenden, um die Zylinderachse kreisenden Verbrennungsluft, der von einer seitlichen Eintrittsöffnung am Zylinderkopf zu zwei in Strömungsrichtung der eintretenden Luft hintereinander liegenden Ventilsitzen für die hon= gend im Zylinderkopf angeordneten Einlaßventile führt und senk= recht zur Zylinderachse gesenen, bogenförmig und sich verengend derart zu den im Zylinderbbden liegenden Ventilsitzen hin ver= läuft, daß die eintritts- und bodenseitige Ausgangsstelle des zu dem ersten Ventilsitz führenden ersten bogenförmigen Auslaufs dem Zylinderboden näher liegt als die eintritts- und bodenseitige Ausgangsstelle des zu dem zweiten Ventilsitz führenden zweiten bogenförmigen Auslaufs, wobei, jeweils in Richtung der Zylinder= achse gesehen, die innere Kanalseitenwand die Innenflächen der Ventilsitze tangiert und die äußere Kanalseitenwand an dem er= sten Ventilsitz in der Nähe des in den Zylinderkopf fortgesetzt gedachten Zylinderumfanges vorbei führt und die Innenfläche des zweiten Ventilsitzes tangiert und an der Ausgangsstelle des er= sten Auslaufs ein kreissegmentförmiger Abdeckschirm mit seiner Innenkante etwa in Richtung eines von der Zylinderachse auscce = henden Radius sich erstreckend angebracht ist, dadurch prekenn« zeichnet, daß die Innenkante (18) des Abdeckschirmes (17) ge= neifit zur Achse (21) des ersten Einlaßventiles (5) von der Ausgangsstelle (8) des ersten Auslaufs (9) zur AusRan^sstelle (10) des zweiten Auslaufs (11) hin verläuft und von der uinlaiiventilachse (21) einen Abstand (a) von 0,25 bis 0,45 des Innendurch= messers (d) des ersten Ventilsitzes (2) hat.

2. Einlaßkanal nach Anspruch 1, dadurch Rekennzeichnet, daß der Abdecksrhirra (22), in Richtung der Zylinderachse (19) gesehen, sichelförmigen Umriß hat, wobei die Richtung einer an die Innenkante (23) angelegten Sehne (24) etwa in Richtung eines von der Zylinderachse (19) ausgehenden Radius (20) vorläuft.

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