[0001] Die Erfindung betrifft einen Strömungskanal nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
[0002] Bei einem bekannten Strömungskanal - DE-OS 35 08 763 - ist das Strömungsprofil so
gestaltet, daß es sich zum Ventilsitzring hin kontinuierlich verjüngt. Diese Gestaltung
geht auf die physikalische Grundlage zurück, daß die geringsten Verluste in einem
Strömungskanal bei ungehinderter Strömung dann auftreten, wenn der Querschnitt des
Strömungskanals kontinuierlich verengt bzw. die Geschwindigkeit des Gasstroms kontinuierlich
erhöht wird. Bei einem Strömungskanal mit einem Ventil ist aber eine ungehinderte
Strömung nicht realisierbar, weil besagtes Ventil einen erheblichen Strömungswiderstand
verursacht, der im Zusammenhang mit einem derartigen Strömungsprofil einen optimierten
Betrieb einer Brennkraftmaschine beeinträchtigt.
[0003] Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ansaugkanal für eine Brennkraftmaschine so auszubilden,
daß die Strömungsgeschwindigkeit des Gasstroms dem durch das Einlaßventil hervorgerufenen
Widerstand in Richtung bessere Brennkraftmaschinen-Betriebseigenschaften Rechnung
trägt.
[0004] Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Weitere, die Erfindung ausgestaltende Merkmale sind in den Unteransprüchen enthalten.
[0005] Die mit der Erfindung hauptsächlich erzielten Vorteile sind darin zu sehen, daß der
Gasstrom in den beiden Kanalabschnitten der Saugrohranlage und dem Zylinderkopf einen
optimierten Strömungsgeschwindigkeitsverlauf aufweist, wodurch der Gasstrom bis zum
Querschnittsübergangsbereich beschleunigt und danach verzögert wird. Letzteres bewirkt
eine Reduktion des Strömungswiderstands, wodurch der Liefergrad der Brennkraftmaschine
verbessert wird. Dies wiederum wirkt sich leistungserhöhend und verbrauchsreduzierend
aus.
[0006] In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, die nachstehend
näher beschrieben sind. Es zeigt
Fig. 1 einen Teilquerschnitt einer Brennkraftmaschine im Bereich einer Ansauganlage
und eines Zylinderkopfs,
Fig. 2 ein Diagramm, aus dem der Verlauf der Strömungsgeschwindigkeit eines Gasstroms
in einer Ansauganlage hervorgeht,
Fig. 3 eine schematische Ansicht in Pfeilrichtung A der Fig. 1,
Fig. 4 eine Ansicht entsprechend Fig. 3 einer weiteren Ausführungsform.
[0007] Die Brennkraftmaschine 1 umfaßt in dem dargestellten Bereich eine Ansauganlage 2
und einen Zylinderkopf 3. Die Ansauganlage 2 ist bei 4 mit einem nicht näher dargestellten
Sammler versehen und schließt mit einem Befestigungsflansch 5 an den Zylinderkopf
3 an. Zwischen Ansauganlage 2 und Zylinderkopf 3 erstreckt sich ein Ansaugkanal 6,
der in einen ersten Kanalabschnitt 7 - Länge ca. 100 bis 120 mm - in der Ansauganlage
2 und einen zweiten Kanalabschnitt 8 im Zylinderkopf 3 gegliedert ist.
[0008] Ein von einer nicht gezeigten Nockenwelle betätigtes Ventil 9 ist am Ende des Ansaugkanals
6 vorgesehen, das einen Ventilschaft 10 und einen Ventilteller 11 aufweist; der Ventilteller
arbeitet mit einem Ventilsitz 12 zusammen. Der Ventilschaft 10 ist axialbeweglich
in einer Ventilführung 13 angeordnet, die ihrerseits in einer Bohrung 14 im Zylinderkopf
3 ruht. Der Ventilschaft 10 ist örtlich, und zwar im Bereich einer Krümmung 15 des
Kanalabschnitts 8, einem Gasstrom ausgesetzt, der durch das Ventil 9 gesteuert wird.
Ist das Ventil 9 geöffnet, gelangt der Gasstrom in einen Brennraum 16.
[0009] Der Ansaugkanal 6 mit kreisrundem Querschnitt weist folgendes Strömungsprofil auf:
über eine wesentliche Teillänge des Ansaugkanals 6 verjüngt sich sein Querschnitt
gleichmäßig konisch, und zwar stromabwärts - Strömungsrichtung S - bis zu einem Querschnittsübergangsbereich
17, der - in Strömungsrichtung S gesehen - relativ kurz vor dem Ventilschaft 10 liegt.
[0010] Nach dem Querschnittsübergangsbereich 17 erweitert sich ebenfalls gleichmäßig und
konisch der Ansaugkanal 6. Die Querschnittsverjüngung wird durch Q1>Q2 und die Querschnittserweiterung
durch Q3<Q4 definiert. Die Querschnittserweiterung Q1>Q2 beträgtje nach Art und Größe
der Brennkraftmaschine zwischen 18 und 24 % betragen.
[0011] Gemäß Fig. 2 ist der Verlauf der Strömungsgeschwindigkeit des Gasstroms im Ansaugkanal
6 dargestellt. Dabei ist auf der Ordinate die Geschwindigkeit in m/s und auf der Abszisse
die Länge des Ansaugkanals in mm aufgetragen. Die durchgezogene Linie 18 gibt die
kontinuierliche knickfreie Beschleunigung B
K bis zum Querschnittsübergangsbereich 17 und danach die kontinuierliche Verzögerung
V
K des Gasstroms wieder. Die strichpunktierte Linie 19 gibt den Verlauf der Strömungsgeschwindigkeit
des Gasstroms nach dem Stand der Technik wieder. Diese Gegenüberstellung macht deutlich,
daß die Linie 19 einen Knick 20 im Strömungsprofil aufweist und der Gasstrom bis kurz
vor dem engsten Querschnitt im Bereich des Ventilsitzringes beschleunigt wird. Das
schraffierte Dreieck 21 stellt die Reduktion des Strömungswiderstands dar; bei 22
hat der Gasstrom Ventilspaltgeschwindigkeit.
[0012] Aus Fig. 3 gehen zwei parallel zueinander verlaufende Ansaugkanäle 23, 24 hervor.
Beide Ansaugkanäle 23, 24 sind über ihre gesamte Länge im wesentlichen getrennt voneinander
und konisch ausgebildet. Außerdem weisen sie prinzipgleiche Strömungsprofile auf.
Diese Ausführung eignet sich für eine Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei Einlaßventilen
pro Zylinder, die im Zylinderkopf angeordnet und von beispielsweise zwei Nockenwellen
betätigt werden.
[0013] In Fig. 4 ist ebenfalls ein Ansaugkanal 25 für eine Brennkraftmaschine mit zwei Einlaßventilen
pro Zylinder dargestellt. Der Ansaugkanal 25 weist tendentiell ein Strömungsprofil
wie in Fig. 2 dargestellt auf. Jedoch ist er in Strömungsrichtung S gesehen zunächst
ein Einzelkanal 26, der dann durch eine Trennwand 27 in zwei getrennte Kanalbereiche
28, 29 aufgeteilt ist, die Hosenform aufweisend zu den Einlaßventilen führen. Die
Trennwand 274 beginnt stromabwärts - Strömungsrichtung S - vor dem Ventilschaft 10
und ist als eine Art Strömungskörper mit symmetrisch stromlinienförmigem Profil ausgebildet.
Er beginnt mit einer dem Gasstrom entgegengesetzten gerundeten Spitze SK
S und erweitert sich kontinuierlich beiderseits einer Quermittelebene C-C auf eine
maximale Breite SK
max, von wo aus sich das Profil auf eine reduzierte Breite SK
red verjüngt. Der Strömungskörper, namentlich die Zusammenhänge SK
max und SK
red können unter Berücksichtigung konstruktiver Gegebenheiten und minimaler Reibungs-
und Druckverluste empirisch und/oder rechnerisch definiert werden. Schließlich sind
bei dieser Ansaugkanalgestaltung Querschnittsübergangsbereiche 30, 31 in den Kanalbereichen
28, 29 vorgesehen. Bis zu den Querschnittsübergangsbereichen 30, 31 die stromabwärts
- Strömungsrichtung S - relativ kurz vor dem Ventilschaft liegen, wird der Gasstrom
beschleunigt und danach verzögert: letzteres wird durch die gleichmäßige Querschnittserweiterung
der Kanalbereiche 28, 29 nach diesen Querschnittsübergangsbereichen erzielt.
1. Strömungskanal, insbesondere Ansaugkanal, in einer Ansauganlage und einem Zylinderkopf
einer Brennkraftmaschine, worin ein Gasstrom mittels eines Ventils gesteuert wird,
das einen mit einem Ventilsitz zusammenwirkenden Ventilteller und einen damit verbundenen,
in einer Ventilführung axialbeweglich gelagerten Ventilschaft umfaßt, wobei der Ventilschaft
benachbart dem Ventilsitzring derart im Ansaugkanal angeordnet ist, daß er dem Gasstrom
ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der in einen ersten Kanalabschnitt (7) in der Ansauganlage (2) und in einen
zweiten Kanalabschnitt (8) des Zylinderkopfs (3) gegliederte Ansaugkanal (6) stromabwärts
- Strömungsrichtung S - mit einem definierten Strömungsprofil versehen ist, das bis
zu einem relativ kurz vor dem Ventilschaft (10) liegenden Querschnittsübergangsbereich
(17) eine gleichmäßige Querschnittsverengung (Q 1 > Q 2) und danach eine gleichmäßige
Querschnittserweiterung (Q3 < Q 4) aufweist.
2. Strömungskanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsverengung (Q1 > Q 2) des Kanalabschnitts (7) und der zweite
Kanalabschnitt (8) bis zum Querschnittsübergangsbereich konisch ist.
3. Strömungskanal nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsverengung (Q1 > Q2) zwischen 18 und 24 % beträgt.
4. Strömungskanal nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche in Verbindung
mit einer Brennkraftmaschine, deren Zylinderkopf zumindest zwei Einlaßventile pro
Zylinder umfasst, die den Gasstrom in dem jeweils getrennten Ansaugkanal zwischen
Ansauganlage und Zylinderkopf steuern, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansaugkanäle (20, 21) prinzipgleiche Strömungsprofile aufweisen.
5. Strömungskanal nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche in Verbindung
einer Brennkraftmaschine, deren Zylinderkopf zumindest zwei Einlaßventile pro Zylinder
umfaßt, die den Gasstrom im Ansaugkanal zwischen Ansauganlage und Zylinderkopf steuern,
wobei stromabwärts - Strömungsrichtung S - der Ansaugkanal zunächst ein Einzelkanal
ist und danach durch eine vor dem Ventilschaft beginnende Trennwand in zwei getrennte
Kanalbereiche aufgeteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Strömungsprofil über den Einzelkanal (23) und die Kanalbereiche (25,
26) erstreckt.
6. Strömungskanal nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (24) zwischen den Kanalbereichen (25, 26) als Strömungskörper
mit symmetrisch stromlinienförmigem Profil ausgebildet ist.
7. Strömungskanal nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskörper von einer gerundeten, dem Gasstrom entgegengesetzten Spitze
(SKS) aus sich über einen ersten Körperabschnitt (SK₁) erweitert, an den sich ein zweiter,
sich verjüngender Körperabschnitt (SK₂) anschließt.
8. Verfahren zur Beeinflußung der Strömungsgeschwindigkeit des Gasstroms in dem Strömungskanal
nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Gasstroms im ersten Kanalabschnitt (7) und
im zweiten Kanalabschnitt (8) bis zu dem Querschnittsübergangsbereich (16) kontinuierlich
erhöht und danach kontinuierlich verringert wird.