Title:
Flow channel
Kind Code:
B1
Abstract:
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Abstract of corresponding document: US5050566
A flow duct, particularly an intake duct in an intake system and a cylinder head of an internal-combustion engine has a defined flow profile by means of which the flow rate of the gas flow is accelerated continuously, specifically until it reaches a cross-sectional transition area of the intake duct which-viewed in the flow direction-is situated upstream of a valve stem. After that, the flow rate of the gas flow is reduced whereby a lower approach flow speed of the valve is achieved. This causes an optimized volumetric efficiency which has a favorable effect on the power and the consumption of the internal-combustion engine.


Inventors:
Distelrath, Winfried, Dipl.-Ing. (FH) (Thaerstrasse 28, Stuttgart 31, D-7000, DE)
Zebli, Dipl. Roland-detlev -Ing (Oeschelbronner Strasse 22, Wurmberg, D-7131, DE)
Application Number:
EP19900111537
Publication Date:
12/08/1993
Filing Date:
06/19/1990
Assignee:
Dr.Ing.h.c. F. Porsche Aktiengesellschaft (Porschestrasse 42, Stuttgart, D-70435, DE)
International Classes:
F02F1/42; F02B29/02; F02B31/02; F02B31/08; F02M35/104; F02M35/10; (IPC1-7): F02M35/10
European Classes:
F02M35/108; F02M35/10A8; F02M35/10D2; F02M35/10D8; F02M35/108V
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Foreign References:
DE3508763A
DE1476080B
DE2122942B
GB682450A
3945349Air conveying system, especially in the intake line, for successive cylinders of reciprocable piston internal combustion engines
4726341Induction arrangement for internal combustion engine having multiple inlet valves per cylinder
Claims:
1. A flow channel in an intake device and a cylinder head of an internal-combustion engine, wherein a gas flow is controlled by means of a valve which comprises a valve disc co-operating with a valve seat and a valve stem connected thereto and mounted so as to be axially movable in a valve guide, the valve stem being arranged adjacent to the valve-seat ring in the intake port in such a way that it is subjected to the gas flow, characterized in that the intake port (6), divided into a first portion (7) in the intake device (2) and a second portion (8) in the cylinder head (3), is provided downstream - in the direction of flow S - with a defined flow profile, the flow channel having a uniform cross-sectional narrowing (Q 1 > Q 2) as far as a cross-sectional area (17) situated upstream of the valve stem (10) and then a uniform cross-sectional widening (Q 3 < Q 4), and the velocity profile upstream of the cross-section transition region (17) being defined by a straight line (BK) and downstream of the cross-section transition region (17) by a second straight line (VK).

2. A flow channel according to Claim 1, characterized in that the cross-sectional narrowing of the two portions (7, 8) of the port is inwardly tapered as far as a cross-sectional area (17).

3. A flow channel according to Claim 2, characterized in that the cross-sectional narrowing (Q 1 > Q 2) is between 18% and 24%.

4. A flow channel according to one or more of the preceding Claims, in conjunction with an internal-combustion engine, the cylinder head of which comprises at least two intake valves per cylinder, the said intake valves controlling the gas flow in the respective separate intake port between the intake device and the cylinder head, characterized in that the intake ports (20, 21) have the same flow profiles.

5. A flow channel according to one or more of the preceding Claims, in conjunction with an internal-combustion engine, the cylinder head of which comprises at least two intake valves per cylinder, the said intake valves controlling the gas flow in the intake port between the intake device and the cylinder head, wherein downstream - in the direction of flow S - the intake port is first a single channel and is then divided into two separate channel areas by a separating wall starting upstream of the valve stems, characterized in that the flow profile extends over the single channel (26) and the channel areas (28, 29).

6. A flow channel according to Claim 5, characterized in that the separating wall (27) is formed as a flow member with a symmetrically streamlined profile between the channel areas (28, 29).

7. A flow channel according to Claim 6, characterized in that starting from a rounded tip Sks opposite the gas flow the flow member is widened over a first section (Skmax), to which is adjacent a second inwardly tapered channel portion (Skred).

8. A method of controlling the velocity of the gas flow in the flow channel according to Claim 1, characterized in that the velocity of the gas flow in the first channel portion (7) and in the second channel portion (8) is increased in a constant linear manner and is then reduced in a constant linear manner.

Description:

Die Erfindung betrifft einen Strömungskanal nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

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.

Außerdem ist ein Einlaßkanal für eine Brennkraftmaschine bekannt, DE-D 1.476.080, der über seine Länge eine ungleichmäßige Verjüngung aufweist, weshalb mit dieser Ausgestaltung ein optimierter Strömungsgeschwindigkeitsverlauf des Gasstroms nicht erreicht wird. Kurz vor dem Ventilsitz weist dieser Einlaßkanal eine Erweiterung seines Querschittes auf. In einem solchen Einlaßkanal, der dem Oberbegriff von Anspruch 1 entspricht, ist aber die Erhöhung sowie danach die Verringerung der Luftgeschwindigkeit nicht gleichmäßig.

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.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere, die Erfindung ausgestaltende Merkmale sind in den Unteransprüchen enthalten.

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.

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.

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.

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.

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.

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 Querschnittsverjüngung Q1>Q2 beträgtje nach Art und Größe der Brennkraftmaschine zwischen 18 und 24 % betragen.

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 BK bis zum Querschnittsübergangsbereich 17 und danach die kontinuierliche Verzögerung VK 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.

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.

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 27 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 SKS und erweitert sich kontinuierlich beiderseits einer Quermittelebene C-C auf eine maximale Breite SKmax, von wo aus sich das Profil auf eine reduzierte Breite SKred verjüngt. Der Strömungskörper, namentlich die Zusammenhänge SKmax und SKred 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.