DE102007020926A1

DE102007020926A1 - Luftansaugkanal

Info

Publication number: DE102007020926A1
Application number: DE102007020926A
Authority: DE
Inventors: Peter Seeger
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-05-04
Filing date: 2007-05-04
Publication date: 2008-11-06

Abstract

Ein Luftansaugkanal (16) zur Versorgung eines Zylinders (12) einer Kraftfahrzeugbrennkraftmaschine mit Luft weist einen durch einen Kanalkörper ausgebildeten Kanalabschnitt (20) zur Verbindung mit dem Zylinder (12) auf. Ferner ist eine Tumbleklappe (22) zur Erzeugung einer Tumbleströmung in dem Zylinder (12) vorgesehen. Die Tumbleklappe verschließt eine Querschnittsfläche des Kanalabschnitts (20) zu maximal <= 80%. Dadurch wird die Gefahr einer für die motorische Verbrennung in dem Zylinder (12) nachteiligen Strömung vermieden, wobei gleichzeitig eine geeignete Tumbleströmung in dem Zylinder (12) erzeugt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft einen Luftansaugkanal, mit dem ein Zylinder eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit Luft versorgt werden kann.
Um auch im Teillastbereich der Brennkraftmaschine eine gute Durchmischung des Zylinders zu erreichen, ist es bekannt mit Hilfe einer in einen Luftansaugkanal angeordneten Tumbleklappe in dem Zylinder eine Tumbleströmung zu erzeugen. Hierzu ist es beispielsweise aus DE 101 63 284 A1 bekannt, innerhalb eines durch einen Kanalkörper ausgebildeten Kanalabschnitts eine Trennwand vorzusehen, um zwei unterschiedlich große Teilkanäle zu erzeugen. Mit Hilfe einer in Strömungsrichtung vor der Trennwand angeordneten Tumbleklappe kann der Kanalabschnitt teilweise derart geschlossen werden, dass nur einer der beiden Teilkanäle mit Luft durchströmt wird. Die Tumbleklappe kann hierzu den Kanalabschnitt auch vollständig öffnen und vollständig verschließen.
Nachteilig bei einem derartigen Luftansaugkanal mit eingegossener Trennwand ist ein erhöhter Bauaufwand, eine Querschnittsreduzierung des Einlasskanals sowie bei Saugrohreneinspritzung eine Beeinträchtigung des Spritzkegels. Weiter wirken sich Positionsabweichungen der Klappe stark auf das Strömungsverhalten aus.
Aus DE 101 40 314 A1 ist eine Tumbleklappe für einen Luftansaugkanal bekannt, die den Kanalabschnitt nicht vollständig sondern lediglich zu ca. 80% verschließt. Diese Tumbleklappe ist um eine Drehachse drehbar, die in der Nähe eines Bereichs des Kanalkörpers angeordnet ist, welcher der Tumbleklappe im geöffneten Zustand gegenüber liegt. Hier liegt das Element das die Strömung beeinflussen soll, rel. weit von dem Einlassventil entfernt, was ein anschließendes Beruhigen des Luftstroms erwarten lässt und somit die Tumblebildung im Zylinder verringern kann.
Es ist die Aufgabe der Erfindung einen Luftansaugkanal zur Versorgung eines Zylinders einer Kraftfahrzeugbrennkraftmaschine zu schaffen, bei dem die oben genannten Nachteile aufgehoben oder reduziert werden.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Luftansaugkanal zur Versorgung eines Zylinders einer Kraftfahrzeugbrennkraftmaschine mit Luft weist einen durch einen Kanalkörper ausgebildeten Kanalabschnitt auf, der mit dem Zylinder der Brennkraftmaschine verbunden werden kann. ES ist eine Tumbleklappe vorgesehen, mit deren Hilfe in dem Zylinder eine Tumbleströmung erzeugt werden kann. Erfindungsgemäß ist eine Querschnittsfläche des Kanalsabschnitts von der Tumbleklappe je nach Kanalgestaltung zwischen 80 und 20% verschließbar.
Dadurch, dass die durch die Tumbleklappe verschließbare Querschnittsfläche des Kanalabschnitts auf einen Wert von unter 100% begrenzt ist, ist ein vollständiges Verschließen des Kanalabschnitts durch die Tumbleklappe verhindert. Bei einer Störung bei der Betätigung der Tumbleklappe ist eine Mindestluftversorgung gewährleistet. Besonders bevorzugt ist hierzu die Tumbleklappe möglichst nah am Zylinder angeordnet, dass heißt im Wesentlichen benachbart zu einem Lufteinlassventil eines Zylinderkopfes. Die Tumbleklappe ist hierzu insbesondere im Zylinderkopf integriert und muss nicht als zusätzliches Bauteil zwischen Saugrohr und Zylinderkopf montiert werden. Dadurch kann ein Abstand der Mittellinie der Tumbleklappe zu einer Lufteinlassöffnung des Luftansaugkanals bezogen auf einen Ventildurchmesser eines zum Öffnen und Schließen des Kanalabschnitts vorgesehenen Tellerventils 0,5–5,0, vorzugsweise 1,0–4,0 und besonders bevorzugt 1,5–3,0 betragen.
Da die Tumbleklappe den Kanalabschnitt nicht vollständig verschließen muss, ist es möglich für die Anordnung der Tumbleklappe vereinfachte Konstruktionen vorzusehen. Insbesondere ist es nicht erforderlich, dass die Tumbleklappe um eine Drehachse drehbar ist, die eine Mittellinie des Kanalabschnitts schneidet. Stattdessen weist die Tumbleklappe insbesondere eine Drehachse auf, die zu einer im Wesentlichen in axialer Richtung verlaufenden Mittellinie des Kanalabschnitts versetzt angeordnet ist. Hierbei ist die Drehachse vorzugsweise auf Bodenseite der Ausnehmung der Tumbleklappe zu versetzt, so dass sich der Abstand der Bodenseite der Tumbleklappe zu der Drehachse verringert und sich eine besonders kompakte und einfache Bauweise ergibt. Besonders bevorzugt verläuft die Drehachse zum Kanalabschnitt im Wesentlichen tangential. Die Drehachse ist somit im Wesentlichen an dem Rand des Kanalabschnitts angeordnet.
Die Tumbleklappe ist im Querschnitt vorzugsweise im Wesentlichen halbkreisförmig ausgebildet. Bezogen auf die Luftströmung in dem Kanalabschnitt findet somit im Übergangsbereich zwischen der Tumbleklappe und dem Kanalkörper keine Veränderung statt, wenn die Tumbleklappe von einer Teilstellung in eine andere Teilstellung weiterbewegt wird. Der Übergang von einer Stellung der Tumbleklappe in eine andere erfolgt somit nicht abrupt, sondern gleichmäßig, so dass plötzliche Änderungen der Luftansaugkanalgeometrie vermieden werden. Kleiner Turbulenzströmungen, welche die beabsichtigte Tumbleströmung stören könnten, werden dadurch vermieden.
Um im Volllastbetrieb keinen unnötigen Strömungswiderstand zu bieten, kann die Tumbleklappe vorzugsweise im geöffneten Zustand im Wesentlichen vollständig von dem Kanalkörper aufgenommen werden. Hierzu kann der Kanalkörper einen Aufnahmeraum aufweisen, in den die Tumbleklappe aufgenommen werden kann. Der Aufnahmeraum ist hierbei insbesondere an die Kontur der Tumbleklappe angepasst und vorzugsweise im Querschnitt im Wesentlichen halbkreisförmig. Ein Spalt zwischen der Tumbleklappe und dem Kanalkörper ist vorzugsweise vermieden, so dass eine Bypassströmung durch den Aufnahmeraum an der Tumbleklappe entlang vermieden ist. Besonders bevorzugt ist zwischen der Tumbleklappe und dem Kanalkörper im Bereich des Aufnahmeraums eine Passung gewählt, die ein Gleiten der Tumbleklappe in dem Aufnahmeraum ermöglicht. Die Tumbleklappe und der Kanalkörper können somit im Bereich des Aufnahmeraums ein Gleitlager ausbilden.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Aufnahmeraum von der Tumbleklappe gegenüber dem Kanalabschnitt verschlossen werden. Hierzu ist es beispielsweise möglich, dass die Tumbleklappe im Wesentlichen um 180° gedreht wird, so dass die Tumbleklappe eine zum Kanalkörper weisende Öffnung des Aufnahmeraums im Wesentlichen vollständig ausfüllt. Insbesondere, wenn die Tumbleklappe halbkreisförmig ausgebildet ist, kann in der 180°-Stellung der Tumbleklappe der Kanalabschnitt maximal versperrt werden. Gleichzeitig wird eine Rückströmung an der Rückseite der Tumbleklappe vermieden, so dass insbesondere eine Strömung an der Rückseite der Tumbleklappe in den Aufnahmeraum hinein unterbunden wird. Störende Turbulenzen werden dadurch vermieden.
Vorzugsweise entspricht die Tumbleklappe im geöffneten Zustand der Kontur des Kanalabschnitts. Das heißt die Konturen der Tumbleklappe entsprechen dem geöffneten Zustand im Wesentlichen der Kontur der benachbarten Bereiche des Kanalkörpers, welche den Kanalabschnitt ausbilden. Die Tumbleklappe hat dadurch im geöff neten Zustand, dass heißt im Volllastbetrieb, keinen störenden Einfluss auf die Luftströmung innerhalb des Kanalabschnitts.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Tumbleklappe durch eine Walze ausgebildet, die von einem Betriebsmittel, wie beispielsweise einem Stellmotor oder Unterdruckdose angetrieben werden kann. Die Walze ist in einem Teilbereich im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet, wobei in einem anderen Teilbereich die Tumbleklappe ausgebildet ist. Die Projektion des kreisförmigen Querschnitts schließt hierbei den Querschnitt der Tumbleklappe vollständig ein. Die Tumbleklappe kann somit aus einer insbesondere als Normbauteil erhältlichen Stange durch geeignete Fertigungsverfahren, wie beispielsweise Fräsen, Schleifen, Schmieden, Umformen hergestellt werden. Beispielsweise kann bei einem im Westlichen zylinderförmigen Kanalabschnitt die Tumbleklappe dadurch erzeugt werden, dass mit Hilfe eines Bohrers, der den gleichen Durchmesser wie der Kanalabschnitt aufweist, die Kontur der Tumbleklappe hergestellt wird, indem eine Stange quer und versetzt zur Mittellinie angebohrt wird.
Besonders bevorzugt weist die Tumbleklappe im zumindest teilweise geschlossenen Zustand eine entgegen der Strömungsrichtung weisende Ausformung auf, durch welche die Strömung umgelenkt werden kann. Die Ausformung ist insbesondere als eine in die Walze ausgebildete Vertiefung ausgestaltet. Durch diese Ausformung kann die Strömung im Kanalabschnitt derart beeinflusst werden, dass die Ausbildung der Tumbleströmung verbessert bzw. verstärkt wird, wobei hierbei insbesondere Staupunkte reduziert werden können. Ein unnötiger Druckverlust wird dadurch vermieden.
Die Erfindung betrifft ferner einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, der einen Luftansaugkanal aufweist, der wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann. Der Zylinderkopf kann insbesondere direkt mit einem Zylinder der Brennkraftmaschine beispielsweise durch Schrauben verbunden werden. Besonders bevorzugt weist der Zylinderkopf einen weiteren Luftansaugkanal auf, der wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann. In diesem Fall ist es möglich, genau eine Walze vorzusehen, welche die Tumbleklappen des jeweiligen Luftansaugkanals ausbildet. Dadurch können zwei oder mehr Tumbleklappen von einem Zylinder zugeordneten Luftansaugkanälen mit Hilfe einer einzigen Walze, die insbesondere von nur genau einem Stellmotor angetrieben ist, betätigt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht eines Zylinderkopfes mit einem erfindungsgemäßen Luftansaugkanal und einer Tumbleklappe in 0°-Stellung,
2 eine schematische Schnittansicht des Zylinderkopfes aus 1 mit einer Tumbleklappe in 90°-Stellung,
3 eine schematische Schnittansicht des Zylinderkopfes aus 1 mit einer Tumbleklappe in 180°-Stellung,
4 eine schematische perspektivische vereinfachte Ansicht des Zylinderkopfes aus 1 und
5 eine schematische Schnittansicht des Zylinderkopfes aus 1 mit einer alternativen Tumbleklappe in 90°-Stellung.
Der in 1 dargestellte Zylinderkopf 10 weist einen Zylinderkopf 12 auf, der über eine Lufteinlassöffnung 14 mit einem Luftansaugkanal 16 verbunden ist. Der Luftansaugkanal 16 weist einen Kanalkörper 18 auf, der einen Kanalabschnitt 20 ausbildet. Der Luftansaugkanal 16 weist ferner eine Tumbleklappe 22 auf, die in ihrer in 1 dargstellten 0°-Stellung den Kanalabschnitt 20 vollständig freigibt (Volllastbetrieb). Die Tumbleklappe 22 ist um eine Drehachse 24 drehbar gelagert. Die Drehachse 24 verläuft im Wesentlichen tangential zu dem Kanalabschnitt 20.
Die Lufteinlassöffnung 14 kann mit Hilfe eines Lufteinlassventils 26 geöffnet und geschlossen werden. Entsprechend kann eine Luftauslassöffnung 28, die zu einem Luftauslasskanal 30 führt, mit Hilfe eines Luftauslassventils 32 geöffnet und geschlossen werden.
Bei der in 2 dargstellten 90°-Stellung der Tumbleklappe 22 wird im Wesentlichen 50% der Querschnittsfläche des Kanalabschnitts 20 durch die Tumbleklappe 22 versperrt. In seiner in 3 dargestellten 180°-Stellung wird ebenfalls 50% der Querschnittsfläche des Kanalabschnitts 20 durch die Tumbleklappe 22 versperrt. Ein genauer Stellwinkel ist für die Tumbleklappe 22 somit nicht erforderlich, um den Kanalabschnitt 20 halbseitig zu versperren. In der 180°-Stellung der Tumbleklappe 22 wird ein in dem Kanalkörper 18 vorgesehener Aufnahmeraum 34 für die Tumbleklappe 22 durch die Tumbleklappe 22 verschlossen, so dass eine Rückströmung in den Aufnahmeraum 34 unterbunden ist.
Die Tumbleklappe 22 kann durch eine Walze 36 ausgebildet werden, die in dem in 4 dargstellten Ausführungsbeispiel sogar zwei Tumbleklappen 22 gleichzeitig ausbilden kann. Die beiden Tumbleklappe 22 sind jeweils Teil unterschiedlicher Luftansaugkanäle 16, die über zwei unterschiedliche Lufteinlassventile 26 mit dem Zylinder 12 in Verbindung stehen können.
Bei der in 5 dargestellten Ausführungsform der Tumbleklappe 22 ist im halbkreisförmigen Bereich der Tumbleklappe 22 eine Vertiefung 38 ausgebildet. Diese Ausbildung ist in der dargestellten 90°-Stellung der Tumbleklappe 22 quer zur Strömungsrichtung gerichtet und kann die Strömung zumindest im in 5 unteren Bereich des Kanalabschnitts 20 aufgrund der im Wesentlichen viertelkreisförmigen Ausgestaltung der Vertiefung 38 um in etwa 90° umlenken, so dass die Ausbildung einer Tumbleströmung verstärkt wird. Auch in einer Stellung von weniger als 90° der Tumbleklappe 22 wird die Ausbildung einer Tumbleströmung verbessert, da sich in der Vertiefung 38 ein Wirbel ausbilden kann, der die Bildung einer Tumbleströmung unterstützt.

10: Zylinderkopf
12: Zylinder
14: Lufteinlassöffnung
16: Luftansaugkanal
18: Kanalkörper
20: Kanalabschnitt
22: Tumbleklappe
24: Drehachse
26: Lufteinlassventil
28: Luftauslassöffnung
30: Luftauslasskanal
32: Luftauslassventil
34: Aufnahmeraum
36: Walze
38: Vertiefung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10163284 A1 [0002]
- DE 10140314 A1 [0004]

Claims

Luftansaugkanal zur Versorgung eines Zylinders (12) einer Kraftfahrzeugbrennkraftmaschine mit Luft, umfassend einen durch einen Kanalkörper (18) ausgebildeten Kanalabschnitt (20) zur Verbindung mit dem Zylinder (12) und einer Tumbleklappe (22) zur Erzeugung einer Tumbleströmung in dem Zylinder (12) dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsfläche des Kanalabschnitts (20) von der Tumbleklappe (22) je nach Kanalgestaltung zwischen 80 und 20% verschließbar ist.
Luftansaugkanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tumbleklappe (22) um eine Drehachse (24) drehbar ist, die zu einer in axialer Richtung verlaufenden Mittellinie des Kanalabschnitts (20) auf die Tumbleklappe (22) zu versetzt angeordnet ist.
Luftansaugkanal nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (24) zu dem Kanalabschnitt (20) im Wesentlichen tangential verläuft.
Luftansaugkanal nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tumbleklappe (22) im Querschnitt im Wesentlichen habkreisförmig ausgebildet ist.
Luftansaugkanal nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Tumbleklappe (22) im geöffneten Zustand im Wesentlichen vollständig in einem in dem Kanalkörper (18) vorgesehenen Aufnahmeraum (34) aufnehmbar ist, wobei insbesondere der Aufnahmeraum (34) im Querschnitt im Wesentlichen habkreisförmig ausgebildet ist.
Luftansaugkanal nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeraum (34) von der Tumbleklappe (22) gegenüber dem Kanalabschnitt (20) verschließbar ist.
Luftansaugkanal nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Tumbleklappe (22) im geöffneten Zustand des Kanalabschnitts (20) im Wesentlichen der Kontur zur Ausbildung des Kanalabschnitts (20) der benachbarten Bereiche des Kanalkörpers (18) entspricht.
Luftansaugkanal nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Tumbleklappe (22) durch eine von einem Stellmotor oder Unterdruckdose antreibbare Walze (36) ausgebildet ist, wobei die Walze (36) in einem Teilbereich im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet ist und die Projektion des kreisförmigen Querschnitts den Querschnitt der Tumbleklappe (22) vollständig einschließt.
Luftansaugkanal nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Tumbleklappe (22) im zumindest teilweise geschlossenen Zustand eine quer zur Strömungsrichtung weisende Ausformung (38) zur Umlenkung der Strömung aufweist.
Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einem Luftansaugkanal (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Zylinderkopf nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Luftansaugkanal (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 vorgesehen ist und durch genau eine Walze (36) die Tumbleklappen (22) des jeweiligen Luftansaugkanals (16) ausgebildet sind.