DE19820601C2

DE19820601C2 - Multi-cylinder internal combustion engine with internal mixture formation

Info

Publication number: DE19820601C2
Application number: DE19820601A
Authority: DE
Inventors: Franz Hoedl; Reinhard Glanz; Bertram Obermayer
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 1997-05-14
Filing date: 1998-05-09
Publication date: 2002-04-04
Anticipated expiration: 2018-05-10
Also published as: AT2334U1; DE19820601A1

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit innerer Gemischbildung, mit zwei zu jeweils einem Einlaßventil führenden, drallerzeugend ausgeführten Einlaßkanälen pro Zylinder, wobei der erste Einlaßkanal vorzugsweise als Tangentialkanal und der zweite Einlaßkanal als Spiralkanal ausgebildet ist und beide Einlaßkanäle von auf einer Seite des Zylinderkopfes angeordnete Flanschflächen ausgehen, und wobei die Ventilachsen der Ein laßventile etwa parallel zueinander ausgebildet sind.The invention relates to a multi-cylinder internal combustion engine with internal mixture formation, with two inlet ducts leading to an inlet valve and designed to produce swirl per cylinder, the first inlet channel preferably as a tangential channel and the second Inlet channel is designed as a spiral channel and both inlet channels from on one side of the Cylinder head arranged flange faces go out, and with the valve axes of the one let valves are approximately parallel to each other.

Aus der DE 19 06 443 A ist eine Brennkraftmaschine mit zwei drallerzeugenden Einlaßkanä len pro Zylinder bekannt, welche von einer gemeinsamen seitlichen Flanschebene ausgehen. Dies hat den Nachteil, daß für drallerzeugende Kanäle bei gewissen Verhältnissen von Ven tilposition und Flanschlage Zwänge entstehen, die eine optimale Auslegung der Kanäle hin sichtlich Drall und Durchfluß verhindern. Unter der Voraussetzung, daß die Verbindung der Ventilmitten parallel zur Motorlängsachse ist, wird es für diese, eine sehr einfache Ventil steuerung erlaubende Anordnung sehr schwierig, drallerzeugende Kanäle mit optimalem Durchfluß zu realisieren.From DE 19 06 443 A is an internal combustion engine with two swirl-generating inlet channels len known per cylinder, which start from a common lateral flange level. This has the disadvantage that for swirl-generating channels under certain conditions of Ven tilposition and flanges are constraints that result in an optimal design of the channels visibly prevent swirl and flow. Provided that the connection of the Valve center is parallel to the engine longitudinal axis, it becomes for this, a very simple valve arrangement allowing control very difficult, swirl generating channels with optimal To realize flow.

Es wird dabei einer der Kanäle sowohl als Tangential- oder Spiralkanal optimal den ge wünschten Drall der Zylinderladung erzeugen. Um die für den zweiten Einlaßkanal günstigste Position zu finden, ist für einen Spiralkanal ein bestimmter Winkel α, der zwischen der die Ventil- und Zylindermitte verbindenden Geraden einerseits sowie der die Ventilmitte und ei nen ersten Spiralquerschnitt verbindenden Geraden andererseits liegt, einzuhalten.It is one of the channels both as a tangential or spiral channel optimally the ge generate the desired swirl of the cylinder charge. To be the cheapest for the second inlet duct Finding a position is a certain angle α for a spiral channel, which is between the Straight lines connecting the valve and cylinder center as well as the valve center and the egg a straight line connecting the first spiral cross section, on the other hand, must be observed.

Der durch Messung gefundene Verlauf der Drallzahl Dz in Abhängigkeit vom Winkel α läßt das Maximum der Drallzahl Dz bei etwa 180° erkennen, sodaß dieser Winkel praktisch anzu streben ist, um optimale Drallwerte zu erreichen.The course of the swirl number Dz found by measurement as a function of the angle α leaves recognize the maximum of the twist number Dz at about 180 °, so that this angle is practically to be strive to achieve optimal swirl values.

Aus konstruktiven Gründen ergeben sich dadurch verschiedene Probleme. Ist nämlich der Zulaufteil des ersten Kanales kurz und strömungsgünstig, so ergibt sich für die Spiralenlage des zweiten Kanales ein Winkel α von etwa 270°. In diesen Bereich weist die Drallzahl Dz in Abhängigkeit vom Winkel α jedoch ein Minimum auf. Die Wirkung dieses Kanales ist daher durch niedrigen Drall und geringeren Durchfluß drastisch verschlechtert.For structural reasons, this creates various problems. Because that is Inlet part of the first channel is short and aerodynamic, this results in the spiral position of the second channel an angle α of approximately 270 °. The swirl number Dz in Depending on the angle α, however, a minimum. The effect of this channel is therefore deteriorated dramatically due to low swirl and lower flow.

Bei der aus der DE 19 06 443 A bekannten Anordnung, bei der die Spirale des ersten Kanales eine optimale Lage von α = 180° aufweist, muß der Kanalzulaufteil des zweiten Kanales stark gekrümmt werden. Eine beliebige Vergrößerung des Krümmungsradius des Kanalzulaufteiles ist wegen Überschneidung mit dem zum Nachbarzylinder führenden Kanal nicht möglich. Es kommt in diesem stark gekrümmten Zulaufteil zu Strömungsablösungen, die die Vorteile der guten Spiralenlage zunichte machen. In the arrangement known from DE 19 06 443 A, in which the spiral of the first channel has an optimal position of α = 180 °, the channel inlet part of the second channel must be strong be curved. Any increase in the radius of curvature of the channel inlet part is not possible due to overlap with the channel leading to the neighboring cylinder. It flow separations occur in this strongly curved inlet part, which have the advantages of destroy good spiral position.

Brennkraftmaschinen, bei denen jeweils die Flanschfläche des Einlasskanals so wohl zur Motorlängsebene als auch zur Zylinderkopfebene geneigt ist, sind aus den Veröffentlichungen US 5 379 729 A, DE 42 08 725 A1, FR 1 225 060 A, EP 0 062 143 A2 und EP 0 431 866 A1 bekannt. Der Einlasskanal ist dabei aber nicht als Spiralkanal ausgeführt, so dass relativ große konstruktive Freiheiten beste hen. Bei Brennkraftmaschinen mit einem Tangentialkanal und einem Spiralkanal ist es weitaus schwieriger eine Anordnung zu finden, welche einerseits eine opti sche Strömungsgestaltung ermöglicht und andererseits bauliche und konstrukti ve Nachteile für angrenzende Bauteilen vermeidet.Internal combustion engines, each of which has the flange surface of the inlet channel is probably inclined to the engine longitudinal plane as well as to the cylinder head plane the publications US 5 379 729 A, DE 42 08 725 A1, FR 1 225 060 A, EP 0 062 143 A2 and EP 0 431 866 A1. The inlet duct is not designed as a spiral channel, so that relatively great structural freedom is best hen. In internal combustion engines with a tangential channel and a spiral channel it is much more difficult to find an arrangement that on the one hand is an opti flow design enables and on the other hand structural and constructi ve avoids disadvantages for adjacent components.

So ist aus der EP 0 527 122 B1 eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art mit einer Kanalanordnung bekannt, die bei einer Ventilanordnung mehr oder weniger parallel zur Motorachse eine optimale Drallerzeugung erlaubt. Dies wird dadurch erreicht, dass der zweite Einlasskanal so ausgeführt ist, dass zumindest an einer Stelle die Kanalmittellinie etwa in Richtung der Zylinderachse liegt, wo bei der zweite Einlasskanal von einer in Motorlängsrichtung liegenden Flansch ebene ausgeht, die etwa normal zur Zylinderachse angeordnet ist. Diese Anord nung erlaubt zwar eine optimale Strömungsgestaltung, hat allerdings den Nach teil, dass die Flanschfläche des zweiten Einlasskanals im Bereich der Zylinder kopfdeckfläche angeordnet ist, wodurch sich bei der Saugrohrgestaltung kon struktive Probleme ergeben.EP 0 527 122 B1 is an internal combustion engine of the type mentioned at the beginning Kind known with a channel arrangement, the more or in a valve arrangement Optimal swirl generation less parallel to the motor axis. this will achieved in that the second inlet duct is designed so that at least at one point the channel center line lies approximately in the direction of the cylinder axis, where in the second inlet duct from a flange lying in the longitudinal direction of the engine plane goes out, which is arranged approximately normal to the cylinder axis. This arrangement Although the flow is optimal, it has the aftermath part that the flange surface of the second intake port in the area of the cylinder head cover surface is arranged, whereby con structural problems arise.

Weiters ist aus der DE 40 11 292 C2 eine Brennkraftmaschine mit zwei Einlass ventilen pro Zylinder bekannt, wobei zum einen Einlassventil ein Spiralkanal und zum zweiten Einlasskanal ein Tangentialkanal führt. Spiralkanal und Tangential kanal gehen dabei von einem einzigen Kanal aus, welcher von einer Seitenwand des Zylinderkopfes ausgeht. Diese Konstruktion lässt eine sehr platzsparende Bauweise zu. Bei der Drallzahl müssen aber Einbußen hingenommen werden.Furthermore, DE 40 11 292 C2 describes an internal combustion engine with two inlets valves known per cylinder, with an inlet valve and a spiral channel a tangential channel leads to the second inlet channel. Spiral channel and tangential channels start from a single channel, which from a side wall of the cylinder head. This construction leaves a very space-saving Construction too. However, losses have to be accepted with the number of twists.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Kanalanord nung zu schaffen, die trotz einer Ventilanordnung mehr oder weniger parallel zur Motorachse eine optimale Drallerzeugung erlaubt und eine seitliche Zuführung der Einlasskanäle ermöglicht.The object of the invention is to avoid these disadvantages and a channel arrangement to create that, despite a valve arrangement more or less parallel to Motor axis allows optimal swirl generation and a lateral feed of the inlet channels.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Flanschfläche des zweiten Einlasskanals sowohl zur Zylinderkopfdichtebene als auch zur durch die Zylinder achsen aufgespannten Motorlängsebene geneigt ist und dass der zweite Einlass kanal eine durch eine Zylinderkopfschraubenachse gelegte Motorquerebene, wel che normal auf die Kurbelwellenachse verläuft, schneidet.According to the invention, this is achieved in that the flange surface of the second Intake channel both to the cylinder head sealing level and to through the cylinders axially spanned engine longitudinal plane is inclined and that the second inlet channel a transverse engine plane through a cylinder head screw axis, wel che runs normal on the crankshaft axis, cuts.

Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass die Flanschfläche des zweiten Einlasskanals mit der Motor längsebene einen Winkel zwischen 30° und 80°, vorzugsweise einen Winkel zwischen 40° und 70°, besonders vorzugsweise einen Winkel zwischen 50° und 60° einschließt. Der zweite Einlasskanal wird dabei schraubenförmig um die Zylinder kopfschraube herumgeführt. Dadurch, dass der zweite Einlasskanal dabei von der geneigten Flanschfläche ausgeht, ergibt sich ein größtmöglicher Krümmungsradi us der Kanalmittellinie, sodass Strömungsablösungen in jedem Fall vermieden werden können. Durch beide Maßnahmen zusammen, nämlich geneigte Anord nung der Flanschfläche und Zuführung des Einlasskanals von einem Bereich des Nachbarzylinders, lässt sich ein viel größerer Krümmungsradius erzielen, als durch jede einzelne Maßnahme allein betrachtet.Preferably there is provided that the flange surface of the second intake port with the engine longitudinal plane an angle between 30 ° and 80 °, preferably an angle between 40 ° and 70 °, particularly preferably an angle between 50 ° and 60 ° includes. The second intake port becomes helical around the cylinders head screw led around. The fact that the second inlet duct from the inclined flange surface, there is the greatest possible radius of curvature us of the channel center line, so that flow separation is avoided in any case can be. By both measures together, namely inclined arrangement of the flange surface and feed of the inlet channel from a region of the Neighboring cylinder, a much larger radius of curvature can be achieved than viewed individually by each measure.

Infolge der damit erreichten Freizügigkeit bei der Anordnung der drallerzeugen den Kanäle können optimale Verhältnisse bezüglich Drall und Strömung bei seitli cher Zuführung der Einlasskanäle erreicht werden.As a result of the freedom of movement achieved with the arrangement of the swirl the channels can have optimal swirl and flow conditions at side cher supply of the inlet channels can be achieved.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Flanschfläche des ersten und des zweiten Einlasskanals in einer gemeinsamen Flanschebene liegen. Dadurch kann ein einfaches, trotzdem günstiges und raumsparendes Einlaßröhrenwerk konzipiert werden.In a preferred embodiment of the invention it is provided that the Flange surface of the first and the second inlet channel in a common Flange level. Thereby can design a simple, yet inexpensive and space-saving inlet tube plant become.

Sehr vorteilhaft ist es, wenn die Einlaßkanäle von Bereichen der Flanschfläche ausgehen, wel che sich - im Grundriß betrachtet - außerhalb der Zylinder befinden. Dies ermöglicht es, Ein laßkanäle und Nockenwellenanordnung unabhängig voneinander und ohne Eingehen eines Zielkonfliktes festzulegen.It is very advantageous if the inlet channels start from areas of the flange surface, wel seen in the floor plan - are outside the cylinders. This enables one Let channels and camshaft arrangement independently of one another and without entering Determine conflicting goals.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to the figures. Show it:

Fig. 1 den Verlauf der Drallzahl Dz in Abhängigkeit von einem Bezugswinkel α, Fig. 1 shows the course of the swirl coefficient α Dz in response to a reference angle,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 4, Fig. 2 shows a section along the line II-II in Fig. 4,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III in Fig. 4 und Fig. 3 is a section along the line III-III in Fig. 4 and

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines Zylinderkopfes gemäß der Erfindung in Draufsicht. Fig. 4 shows an embodiment of a cylinder head according to the invention in plan view.

In Fig. 1 ist die gemessene Drallzahl Dz in Abhängigkeit vom Winkel α dargestellt. Dabei ist der über der Zylinderbohrung 22 angeordnete Ventilmittelpunkt im Bereich der Mündung in den Brennraum mit 1 bezeichnet. Der Winkel α wird gebildet von der den Ventilmittelpunkt 1 und den Zylindermittelpunkt 2 verbindenden Geraden 21 einerseits, sowie dem vom Ven tilmittelpunkt 1 ausgehenden Radius 20, der die Lage des ersten Spiralquerschnittes 3 festlegt, andererseits. Man kann das Maximum 4 der Drallzahl Dz bei einem Winkel α von knapp über 180° erkennen.In Fig. 1 the measured swirl number Dz α is shown as a function of angle. The valve center located above the cylinder bore 22 is designated 1 in the region of the mouth into the combustion chamber. The angle α is formed by the straight line 21 connecting the valve center 1 and the cylinder center 2 , on the one hand, and the radius 20 starting from the valve center 1 , which defines the position of the first spiral cross section 3 , on the other hand. The maximum 4 of the swirl number Dz can be seen at an angle α of just over 180 °.

In den Fig. 2 und 3, welche Kanallängsschnitte durch die Einlaßkanäle 9 und 10 zeigen, sind die Achsen der Einlaßventile mit 5 und jene der Auslaßventile mit 6 bezeichnet. Sowohl der als Tangentialkanal ausgebildete erste Einlaßkanal 9, als auch der als Spiralkanal ausgebildete zweite Einlaßkanal 10 gehen von in einer gemeinsamen Flanschebene 12 liegende Flanschflä chen 12a, 12b auf der der Auslaßseite gegenüberliegenden Seite des Zylinderkopfes 11 aus. Die Flanschfläche 12b ist dabei sowohl zur durch die Zylinderachsen 7 aufgespannten Mo torlängsebene 8, als auch zur Zylinderkopfdichtebene 18 geneigt angeordnet. Die Flanschflä che 12b schließt dabei mit der Motorlängsebene 7 bzw. einer parallelen Ebene 7a im Ausfüh rungsbeispiel einen Winkel β von etwa 50° bis 60° ein. Mit γ ist ein Bezugswinkel zwischen der Flanschebene 12 und einer durch die Ventilachsen 5 aufgespannten, im Beispiel zur Mo torlängsebene 8 leicht geneigten Ventilachsenebene 5a bzw. einer dazu parallelen Ebene 5b bezeichnet. Der als Spiralkanal ausgebildete zweite Einlaßkanal 10 ist im Bereich des Nach barzylinders so angeordnet, daß der Einlaßkanal 10 eine durch die Zylinderkopfschrau benachse 13 gelegte Motorquerebene 13a, welche etwa normal auf die Kurbelwellenachse verläuft, schneidet. Der zweite Einlaßkanal 10 ist dabei um eine Zylinderkopfschraubenboh rung 14 herumgeführt. In Kombination mit der geneigten Flanschfläche 12b wird erreicht, daß die Strömungsmittellinie 10a des zweiten Einlaßkanales einen relativ großen Krümmungsra dius beschreibt und der Einlaßkanal 10 in einem zum Erreichen einer optimalen Drallzahl Dz maßgeblichen Winkel α von ca. 180° in die Einlaßspirale 10b einmündet. Die Strömungslinie des ersten Einlaßkanales ist mit 9a bezeichnet.In FIGS. 2 and 3, which channel longitudinal sections through the intake ports 9 and 10, the axes of the intake valves 5 and that of the exhaust valves 6 are designated. Both formed as a tangential first intake port 9, and designed as a spiral channel second inlet channel 10 going from lying in a common flange plane 12 Flanschflä surfaces 12 a, 12 b on the opposite side of the outlet side of the cylinder head 11 is made. The flange 12 is in this case arranged both to the plane spanned by the cylinder axis 7 Mo torlängsebene 8, as well as to the cylinder head 18 is inclined sealing plane b. The flange surface 12 b includes an angle β of approximately 50 ° to 60 ° with the motor longitudinal plane 7 or a parallel plane 7 a in the exemplary embodiment. With γ is a reference angle between the flange plane 12 and a plane defined by the axes of the valve 5, in the example of Mo torlängsebene 8 slightly inclined valve axis plane 5 a or a plane parallel thereto 5 denotes b. The designed as a spiral channel second inlet channel 10 is arranged in the area of the after bar cylinder so that the inlet channel 10 a through the cylinder head screw benachse 13 placed engine transverse plane 13 a, which extends approximately normal to the crankshaft axis. The second inlet duct 10 is guided around a cylinder head screw bore 14 . In combination with the inclined flange surface 12 b it is achieved that the fluid line 10 a of the second inlet channel describes a relatively large radius of curvature and the inlet channel 10 in an angle α of approximately 180 ° into the inlet spiral 10 b, which is decisive for achieving an optimal swirl number Dz opens. The flow line of the first inlet channel is designated 9a.

Mit 6a ist die Lage der Auslaßkanalmündungen, mit 5a die Lage der Einlaßkanalmündungen in den Brennraum angedeutet.The position of the outlet channel mouths is indicated by 6 a, the position of the inlet channel mouths in the combustion chamber is indicated by 5 a.

Alternativ zu dem als Tangentialkanal ausgelegten ersten Einlaßkanal 9 kann dieser auch als Neutral- oder Spiralkanal gestaltet sein.As an alternative to the first inlet channel 9 designed as a tangential channel, this can also be designed as a neutral or spiral channel.

Claims

1. Multi-cylinder internal combustion engine with internal mixture formation, with two inlet ducts leading to an inlet valve, designed to produce swirl ( 9 , 10 ) per cylinder ( 22 ), the first inlet duct ( 9 ) preferably as a tangential duct and the second inlet duct ( 10 ) as Spiral channel is formed and both inlet channels ( 9 , 10 ) from on one side of the cylinder head ( 11 ) arranged flange surfaces ( 12 a, 12 b), and wherein the valve axes ( 5 ) of the inlet valves are formed approximately parallel to each other, characterized that the flange surface ( 12 b) of the second intake port ( 10 ) is inclined both to the cylinder head sealing plane ( 18 ) and to the longitudinal engine plane ( 8 ) spanned by the cylinder axles ( 7 ) and that the second intake port ( 10 ) has a head screw axis through a cylinder ( 13 ) cross engine plane ( 13 a), which runs normally on the crankshaft axis, intersects.

2. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the flange surface ( 12 b) of the second inlet channel ( 10 ) with the engine longitudinal plane ne ( 8 ) an angle (β) between 30 ° and 80 °, preferably an angle (β) between 40 ° and 70 °, particularly preferably an angle (β) between 50 ° and 60 °.

3. Internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterized in that the flange surfaces ( 12 a, 12 b) of the first and second inlet channels ( 9 , 10 ) lie in a common flange plane ( 12 ).

4. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the inlet channels ( 9 , 10 ) emanate from areas of the flange surface ( 12 b) which, viewed in plan, are located outside the cylinder ( 22 ).

5. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the flange surface ( 12 b) of the second inlet channel ( 10 ) to egg ner through the inlet valve axes ( 5 ) spanned plane ( 5 a) a Win angle (γ) between 40 ° and 80 °, preferably between 50 ° and 70 °, particularly preferably include an angle (γ) of about 60 °.