DE19740229B4

DE19740229B4 - Brennkraftmaschinen-Zylinderkopf mit Ansaugkanal und Zusatzluftkanal

Info

Publication number: DE19740229B4
Application number: DE19740229.1A
Authority: DE
Inventors: Hubert Fischer; Dr. Flierl Rudolf
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1997-09-12
Filing date: 1997-09-12
Publication date: 2014-04-17
Anticipated expiration: 2017-09-13
Also published as: DE19740229A1

Abstract

Brennkraftmaschinen-Zylinderkopf (1) mit zumindest einem Ansaugkanal (4) je Brennkraftmaschinen-Zylinder (2), in welchen nahe eines Ventilsitzringes (3) für ein den Zylinder (2) gegenüber dem Ansaugkanal (4) verschließendes Einlaßventil ein Zusatzluftkanal (5) mündet, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungsöffnung (5a) des Zusatzluftkanales (5) schlitzförmig ausgebildet ist und sich in einer zur Ansaugkanalachse (4a) im Mündungsbereich im wesentlichen senkrechten Ebene über ein Winkelsegment (8) in der Größenordnung zwischen 30° und 180° erstreckt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennkraftmaschinen-Zylinderkopf mit zumindest einem Ansaugkanal je Brennkraftmaschinen-Zylinder, in welchen nahe eines Sitzringes für ein den Zylinder gegenüber dem Ansaugkanal verschließendes Einlaßventil ein Zusatzluftkanal mündet. Zum technischen Umfeld wird beispielshalber auf die EP 0 521 921 B1 verwiesen.
Weiter ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 26 51 504 A1 ein Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem ein Zusatzluftkanal in eine ringförmige Kammer in der Innenwand des Ansaugkanals mündet.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 31 40 352 A1 ist ferner ein Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine bekannt, mit einem Druckgaskanal, welcher mm Mündungsbereich schlitzförmig oder, als Bohrung ausgebildet sein soll
Auch aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 42 09 684 A1 ist ein Zylinderkopf mit einem Druckgaskanal bekannt, welcher in eine Nut im Einlasskanal, mündet.
Mit einem dem Fachmann bekannten, in den Ansaugkanal einer Brennkraftmaschine mündenden Zusatzluftkanal läßt sich insbesondere in Teillastbereichen der Brennkraftmaschine, d. h. wenn der entsprechende Brennkraftmaschinen-Zylinder nicht vollständig mit Frischgas befüllt wird, eine gezielte Ladungsbewegung im Zylinder erzielen, was der Gemischbildung förderlich ist. Im Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine hingegen, d. h. bei vollständig befülltem Zylinder muß eine derartige Ladungsbewegung nicht erzeugt werden, wobei ein solcher Zusatzluftkanal – im Gegensatz zu anderen bekannten Maßnahmen zur Erzeugung einer gezielten Ladungsbewegung – dann kein Strömungshindernis für die über den Ansaugkanal in den Zylinder einströmende Frischgasladung darstellt.
Bei dieser Ladungsbewegung kann – wie ebenfalls bekannt – grundsätzlich zwischen zwei Bewegungsrichtungen unterschieden werden. Zum einen kann ein sog. „swirl” erzeugt werden, bei welchem die Frischgasladung im wesentlichen um die Zylinderlängsachse rotiert, zum anderen ein sog. „tumble”, bei welchem die einströmende Frischgasladung eine Walze bildet, die um eine zur Zylinderlängsachse senkrechte Achse rotiert.
Ein derartiger „tumble” ist insbesondere für gemischverdichtende Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung besonders vorteilhaft.
Maßnahmen aufzuzeigen, mit Hilfe derer ein solcher „tumble” besonders wirkungsvoll erzeugt werden kann, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungsöffnung des Zusatzluftkanales schlitzförmig ausgebildet ist und sich in einer zur Ansaugkanalachse im Mündungsbereich im wesentlichen senkrechten Ebene über ein Winkelsegment in der Größenordnung zwischen 30° und 180° erstreckt. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
Näher erläutert wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles, wobei 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinen-Ansaugkanal in einem nur teilweise dargestellten Zylinderkopf zeigt, während 2 den Schnitt A-A aus 1 bzw. die entsprechende Aufsicht auf den Brennkraftmaschinen-Zylinder zeigt.
Mit der Bezugsziffer 1 ist ein Brennkraftmaschinen-Zylinderkopf bezeichnet, der wie üblich auf dem nicht dargestellten Kurbelgehäuse einer Hubkolben-Brennkraftmaschine sitzt. Bevorzugt handelt es sich um eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine, d. h. es sind in Reihe mehrere Zylinder 2 vorgesehen, in denen jeweils ein Kolben senkrecht zur Zeichenebene in 2 verschiebbar geführt ist. Wie üblich kann in jeden Zylinder 2 über zumindest ein (nicht gezeigtes) Einlaßventil Frischgas eingeführt werden, welches nach Verbrennung über ein ebenfalls nicht gezeigtes Auslaßventil wieder abgeführt wird.
Wie üblich ist jedem Einlaßventil ein Ventilsitzring 3 zugeordnet, der im Zylinderkopf 1 angeordnet ist und das Ende eines im Zylinderkopf 1 verlaufenden Ansaugkanales 4 bildet. Beim hier gezeigten Ausführungsbeispiel besitzt der Zylinder 2 zwei Ansaugkanäle 4.
Nahe des Ventilsitzringes 3 mündet in den Ansaugkanal 4 ein Zusatzluftkanal 5, der wie ersichtlich einen deutlich geringeren Strömungsquerschnitt als der Ansaugkanal 4 besitzt. Über diesen Zusatzluftkanal 5 kann in den Ansaugkanal 4 ein Zusatzluftstrom eingebracht werden, der die Einströmung des über den Ansaugkanal 4 in den Zylinder 2 gelangenden Frischgasstromes in gewünschter Weise beeinflußt, und zwar insbesondere einen „tumble” erzeugt, der nichts anderes als eine Strömungswalze ist, die in 1 gemäß Pfeil 6 im Zylinder 2 bewegt wird.
Ein optimaler „tumble” 6 wird erzeugt, wenn die Mündungsöffnung 5a des Zusatzluftkanales 5 schlitzförmig ausgebildet ist und sich in einer zur Ansaugkanalachse 4a im wesentlichen senkrechten Ebene über ein Winkelsegment in der Größenordnung zwischen 30° und 180° erstreckt. Dieses Winkelsegment ist in 2 mit der Bezugsziffer 8 dargestellt.
Wie ersichtlich besteht jede schlitzförmige Mündungsöffnung 5a aus zwei in deren Ebene nebeneinanderliegenden Einzelschlitzen 5a', 5a'', zwischen denen sich ein von der Wand 4b des Ansaugkanales 4 gebildeter Steg 5b befindet.
Durch die Aufteilung der Mündungsöffnung 5a in die beiden Einzelschlitze 5a', 5a'' ergibt sich zum einen eine optimale Beeinflussung der Frischgasströmung im Ansaugkanal 4, zum anderen verleiht der Steg 5b der gesamten Konstruktion eine ausreichende Festigkeit.
Es hat sich gezeigt, daß eine optimale Beeinflussung der über den Ansaugkanal 4 in den Zylinder 2 einströmenden Frischgasströmung durch den über den Zusatzluftkanal 5 eingeleiteten Zusatzluftstrom dann erfolgt, wenn das Zentrum 5c der schlitzförmigen Mündungsöffnung im Bereich des kleinsten Krümmungsradius des Ansaugkanales 4 liegt. Selbstverständlich liegt auch dieses Zentrum 5c in der nicht näher bezeichneten durch die schlitzförmige Mündungsöffnung 5a bzw. durch das Winkelsegment 8 definierten Ebene, die im wesentlichen senkrecht steht auf der Ansaugkanalachse 4a bzw. der Längsachse des Ansaugkanales 4 in diesem Abschnitt. In diesem Abschnitt fällt die Ansaugkanalachse 4a im übrigen mit der Rotationsachse 3a des Ventilsitzringes 3 zusammen (zumindest im wesentlichen).
Beim hier gezeigten Ausführungsbeispiel erstreckt sich wie ersichtlich jeder Einzelschlitz 5a' bzw. 5a'' in der von der schlitzförmigen Mündungsöffnung 5a definierten Ebene über ein Winkelsegment von ca. 40°, jedoch kann diese Größenordnung den jeweiligen Verhältnissen entsprechend angepaßt werden. Insbesondere können die beiden Einzelschlitze 5a', 5a'' auch jeweils ein unterschiedlich großes Winkelsegment beschreiben. Auch wurden befriedigende „tumble”-Strömungen gemäß Pfeilrichtung 6 erzeugt, wenn eine einzige schlitzförmige Mündungsöffnung 5a vorgesehen war, die ein Winkelsegment von nahezu 180° einschloß.
In gleicher Weise kann die Höhe 5d der schlitzförmigen Mündungsöffnung 5a, die im wesentlichen in Richtung der Rotationsachse 3a gemessen wird, an die jeweiligen Verhältnisse angepaßt werden. Bevorzugt liegt diese Höhe 5d der schlitzförmigen Mündungsöffnung 5a dabei in der Größenordnung von 2% bis 10% des Durchmessers des Einlaßventiles bzw. des Ventilsitzringes 3.
Wie ersichtlich erweitert sich der Zusatzluftkanal 5 stromauf seiner Mündungsöffnung 5a in einer zur Mündungsöffnungsebene senkrechten Ebene, insbesondere aus konstruktiven Gründen. Im wesentlichen soll der Zusatzluftkanal 5 nämlich einen konstanten Querschnitt besitzen, so daß er sich stromauf der Mündungsöffnung 5a in seiner Mündungsöffnungsebene verengt (nicht gezeigt). Dabei kann die Versorgung des Zusatzluftkanales 5 mit einem Zusatzluftstrom wie üblich erfolgen, d. h. bei quantitätsgesteuerten Brennkraftmaschinen, in deren Ansaugtrakt sich ein Drosselorgan befindet, kann die Versorgung des Zusatzluftkanales 5 mit Frischluft von einer stromauf des Drosselorganes liegenden Stelle erfolgen, während bei Brennkraftmaschinen ohne Drosselorgan ein separate Pumpe oder dgl. zur Förderung des Zusatzluftstromes vorgesehen sein kann.
Wie 2 zeigt, sind beim hier erläuterten Ausführungsbeispiel jedem Zylinder 2 zwei Ansaugkanäle 4 zugeordnet, von denen jeder einen schlitzförmig mündenden Zusatzluftkanal 5 besitzt. Mit der gezeigten schlitzförmigen Mündungsöffnung 5a ist damit ein optimaler „tumble” 6 erzeugbar. Abweichend vom hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist es jedoch auch möglich, beispielsweise nur einem der beiden Ansaugkanäle 4 einen schlitzförmig mündenden Zusatztuftkanal 5 zuzuordnen, während der andere Ansaugkanal ohne eine solche Störstelle verläuft. Dann ist es möglich, mit Hilfe dieses beispielsweise einzigen Zusatzluftkanales 5 zusätzlich zum „tumble” 6 einer „swirl” im Zylinder 1 zu erzeugen, wobei – wie dem Fachmann bekannt – die eingebrachte Gasladung zusätzlich um die Zylinderlängsachse rotiert, d. h. in 2 um eine zur Zeichenebene senkrechte Achse.
Im übrigen sei noch darauf hingewiesen, daß die Fertigung eines Zylinderkopfes 1 mit einem derartigen insbesondere schlitzförmig mündenden Zusatzluftkanal 5 bevorzugt durch lost-foam-Gießtechnik erfolgen kann – insbesondere gilt das für die Zusatzluftkanäle 5 selbst – jedoch kann dies sowie eine Vielzahl weiterer Details insbesondere konstruktiver Art durchaus abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschinen-Zylinderkopf
2: Zylinder
3: Ventilsitzring
3a: Rotationsachse von 3
4: Ansaugkanal
4a: Ansaugkanalachse
4b: Wand von 4
5: Zusatzluftkanal
5a: schlitzförmige Mündungsöffnung von 5
5a': Einzelschlitz
5a'': Einzelschlitz
5b: Steg zwischen 5a' und 5a''
5c: Zentrum von 5a
5d: Höhe von 5a
6: Pfeil: tumble
8: Winkelsegment (30° bis 180°)

Claims

Brennkraftmaschinen-Zylinderkopf (1) mit zumindest einem Ansaugkanal (4) je Brennkraftmaschinen-Zylinder (2), in welchen nahe eines Ventilsitzringes (3) für ein den Zylinder (2) gegenüber dem Ansaugkanal (4) verschließendes Einlaßventil ein Zusatzluftkanal (5) mündet, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungsöffnung (5a) des Zusatzluftkanales (5) schlitzförmig ausgebildet ist und sich in einer zur Ansaugkanalachse (4a) im Mündungsbereich im wesentlichen senkrechten Ebene über ein Winkelsegment (8) in der Größenordnung zwischen 30° und 180° erstreckt.
Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schlitzförmige Mündungsöffnung (5a) aus zumindest zwei nebeneinander liegenden Einzelschlitzen (5a', 5a'') besteht, zwischen denen sich (jeweils) ein von der Wand (4b) des Ansaugkanales (4) gebildeter Steg (5b) befindet.
Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (5d) der schlitzförmigen Mündungsöffnung (5a) in der Größenordnung von 2% bis 10% des Durchmessers des Einlaßventiles liegt.
Zylinderkopf nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrum (5c) der schlitzförmigen Mündungsöffnung (5a) im Bereich des kleinsten Krümmungsradius des Ansaugkanales (4) liegt.
Zylinderkopf nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Zusatzluftkanal (5) stromauf seiner Mündungsöffnung (5a) in der Mündungsöffnungsebene verengt und in einer sich hierzu senkrechten Ebene unter Beibehaltung eines im wesentlichen konstanten Querschnitts erweitert.
Zylinderkopf nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß je Zylinder (2) mehrere Ansaugkanäle (4) vorgesehen sind, von denen jedem ein schlitzförmig mündender Zusatzluftkanal (5) zugeordnet ist.
Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, daß je Zylinder (2) mehrere Ansaugkanäle (4) vorgesehen sind, von denen nicht jedem ein schlitzförmig mündender Zusatzluftkanal (5) zugeordnet ist.
Durch Gießen hergestellter Zylinderkopf (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Zusatzluftkanäle (5) in lost-foam Gießtechnik hergestellt sind.