DE19913561A1 - Luftansaugsystem für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Luftansaugsystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Otto-Motor mit Direkteinspritzung, mit einem wenigstens einen Zylinder begrenzenden Zylinderkopf (14), einem Saugrohr (10), welches wenigstens einen Luftkanal (20) pro Zylinder aufweist, und pro Zylinder wenigstens einem in dem Zylinderkopf (14) angeordneten Einlaßkanal (22), wobei das Saugrohr (10) und der Zylinderkopf (14) über eine Trennebene (12) derart miteinander verbunden sind, daß jeweils ein Luftkanal (20) des Saugrohres (10) mit einem entsprechenden Einlaßkanal (22) im Zylinderkopf (14) in fluidleitender Verbindung steht und je einen Saugkanal (20, 22) für je einen Zylinder ausbildet, wobei in jedem Saugkanal (20, 22) eine wahlweise den Querschnitt des Saugkanals (20, 22) verengende Schaltklappe (32) angeordnet ist und alle Schaltklappen (32) zu deren Betätigung auf einer gemeinsamen Schaltklappenwelle (34) befestigt sind. Hierbei ist die Schaltklappenwelle (34) mit entsprechender Wellenlagerung (44, 50) in der Trennebene (12) derart angeordnet, daß die Schaltklappenwelle (34) radial wenigstens teilweise in den Zylinderkopf (14) und wenigstens teilweise in das Saugrohr (10) hineinragt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Luftansaugsystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Otto-Motor mit Direkteinspritzung, mit einem wenigstens einen Zylinder begrenzen­ den Zylinderkopf, einem Saugrohr, welches wenigstens einen Luftkanal pro Zylinder auf­ weist, und pro Zylinder wenigstens einem in dem Zylinderkopf angeordneten Einlaßkanal, wobei das Saugrohr und der Zylinderkopf über eine Trennebene derart miteinander ver­ bunden sind, daß jeweils ein Luftkanal des Saugrohres mit einem entsprechenden Einlaß­ kanal im Zylinderkopf in fluidleitender Verbindung steht und je einen Saugkanal für je ei­ nen Zylinder ausbildet, wobei in jedem Saugkanal eine wahlweise den Querschnitt des Saugkanals verengende Schaltklappe angeordnet ist und alle Schaltklappen zu deren Betätigung auf einer gemeinsamen Schaltklappenwelle befestigt sind, gemäß dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Zum Verbessern einer Frischgas-Ladungsbewegung in Brennräumen von Verbren­ nungsmotoren ist es bekannt, in entsprechenden Einlaßkanälen eine parallel zur Strö­ mungsrichtung ausgerichtete Trennebene in Form eines eingegossenes Trennbleches vorzusehen, welches den Einlaßkanal in zwei Hälften teilt. Eine Kanalhälfte ist mittels ei­ ner schaltbaren Klappe wahlweise verschließbar, so daß sich eine Strömungsgeschwin­ digkeit in der entsprechend anderen Kanalhälfte erhöht.

Aus der DE 38 36 550 C2 ist ein Einlaßkanalsystem für einen Mehrzylindermotor mit meh­ reren Schaltklappen in einem Luftansaugrohr bekannt, wobei diese Schaltklappen auf einer gemeinsamen Schaltklappenwelle angeordnet sind. Diese Schaltklappenwelle ist im Luftansaugrohr gelagert, wobei bei Schließstellung der Schaltklappen für eine gewünschte Dichtfunktion an jeweiligen Anschlägen der Schaltklappen eine hohe Toleranzgüte der betroffenen Bauteile erforderlich ist. Ferner ist ein hoher Montageaufwand für die im Luft­ ansaugrohr gelagerte Schaltklappenwelle notwendig. Dieses System hat daher den Nachteil, daß die Ausbildung der zylinderkopfseitigen Einlaßkanäle, insbesondere die Ausbildung von deren Trennwand, mit geringen Toleranzen an die Klappen angepaßt sein muß und gleichzeitig die Klappenanordnung mit geringen Toleranzen gefertigt sein muß, damit ein entsprechend vollständiges Schließen erzielt wird. Ferner kann mit diesem Sy­ stem lediglich ein Kanal vollständig zu- oder abgeschaltet werden. Eine Beeinflussung der Luftströmung in einem Kanal ist nicht möglich. Ferner kommt es bedingt durch Ferti­ gungstoleranzen zu dem unerwünschten Zustand, daß nur ein Teil der Klappen, ungün­ stigstenfalls nur eine Klappe, einen Einlaßkanal vollständig verschließt, während die übri­ gen Klappen noch einen Spalt offen lassen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Luftan­ saugsystem der obengenannten Art zur Verfügung zu stellen, wobei die obengenannten Nachteile überwunden werden und eine einfache und funktionssichere Montage auch bei hohen Fehlertoleranzen sichergestellt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Luftansaugsystem der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin­ dung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Dazu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Schaltklappenwelle mit entsprechen­ der Wellenlagerung in der Trennebene derart angeordnet ist, daß die Schaltklappenwelle radial wenigstens teilweise in den Zylinderkopf und wenigstens teilweise in das Saugrohr hinein ragt.

Dies hat den Vorteil, daß sich eine vereinfachte Montage ergibt, bei der die vollständig vormontierte Schaltklappenanordnung in der Trennebene, beispielsweise zylinderkopfsei­ tig, einlegbar und durch einfaches Befestigen des Saugrohres am Zylinderkopf fixierbar ist. Gleichzeitig ist ohne weitere Maßnahmen eine ausreichende Dichtigkeit hergestellt.

Eine erhöhte Frischgas-Strömung in bestimmten Betriebsbereichen der Brennkraftma­ schine erzielt man dadurch, daß im Einlaßkanal ein Trennblech angeordnet ist, welches den Einlaßkanal über einen vorbestimmten Abschnitt teilt, und daß die Schaltklappe derart ausgebildet und angeordnet ist, daß sie in den Querschnitt des Einlaßkanals verengender Stellung am Trennblech anschlägt.

Eine symmetrische und einfach herzustellende Anordnung erzielt man dadurch, daß die Schaltklappenwelle derart angeordnet ist, daß eine Drehachse der Schaltklappenwelle in der Trennebene verläuft.

Zweckmäßigerweise ist sowohl zylinderkopfseitig als auch saugrohrseitig angrenzend an die Trennebene jeweils eine entsprechende Ausnehmung zur Aufnahme der Schaltklap­ penwelle und deren Lagerung ausgebildet.

Eine entsprechende Abdichtung erzielt man dadurch, daß eine die Trennebene umlaufen­ de Dichtung vorgesehen ist. Da diese gleichzeitig auch die Schaltklappenwelle und deren Lagerung umschließt, sind dort keine zusätzlichen Dichtmaßnahmen mehr erforderlich.

Eine Lage der Schaltklappenwelle in der Trennebene auf Höhe einer Kanalwandung des Saugkanals sorgt für eine strömungsgünstige Frischgasführung in den offen verbleiben­ den Teil des Saugkanals in Schließstellung der Schaltklappen und eine in Offenstellung der Schaltklappen widerstandsarme Vollastdurchströmung.

Die Wellenlagerung weist beispielsweise folgerndes auf, einen zylindrischen Lagerzapfen mit Lagerbohrung, wobei ein zylinderkopfseitiger Anschlag eine Position der Schaltklap­ penwelle fixiert und ein saugrohrseitiger Anschlag mittels eines elastischen Bauteiles aus­ gebildet ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Betätigungseinrichtung für die Schaltklap­ penwelle zwischen zwei Saugkanälen innerhalb eines Gehäuses des Saugrohres vorge­ sehen. Hierdurch ist eine Führung eines Betätigungsorgan aus dem Gehäuse des Saug­ rohres heraus mit entsprechender Abdichtproblematik eines dafür notwendigen Durchbru­ ches im Gehäuses vermieden.

Beispielsweise weist die Betätigungseinrichtung einen drehfest mit der Schaltklappenwelle verbundenen Hebelarm auf, auf den ein Betätigungsmittel wirkt, welches beispielsweise ein wahlweise mit Druck beaufschlagbarer, federbelasteter Kolben ist.

Um einen Anschlag des Hebelarmes am Betätigungsmittel sicher zu stellen, ist eine He­ belarmfeder derart vorgesehen, daß diese den Hebelarm in Richtung Betätigungseinrich­ tung mit Kraft beaufschlagt. Alternativ weist der Hebelarm einen Permanentmagnet derart auf, daß eine magnetische Anziehungskraft den Hebelarm in Richtung Betätigungsein­ richtung mit Kraft beaufschlagt.

Eine bzgl. des Zylinderkopfes ähnliche Temperaturausdehnung der Schaltklappenwelle erzielt man dadurch, daß die Schaltklappenwelle aus Aluminium gefertigt ist.

Einen gewissen Toleranzausgleich durch biegsame Schaltklappen erzielt man dadurch, daß die Schaltklappen aus einem elastischen Blech gefertigt sind.

Eine einfache Wellenlagerung erzielt man dadurch, daß die sowohl zylinderkopfseitig als auch saugrohrseitig angrenzend an die Trennebene jeweils entsprechend ausgebildete Ausnehmung zur Aufnahme der Schaltklappenwelle halbkreisförmig als Lager für die Schaltklappenwelle ausgebildet ist.

Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfin­ dung anhand der beigefügten Zeichnungen. Diese zeigen in

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Luftansaugsy­ stems in schematischer Schnittansicht,

Fig. 2 das erfindungsgemäßen Luftansaugsystem von Fig. 1 in einer weiteren sche­ matischer Schnittansicht,

Fig. 3 eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Luftansaugsystems in schematischer Schnittansicht und

Fig. 4 eine weitere alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Luftan­ saugsystems in schematischer Schnittansicht.

Wie aus der schematischen Darstellung gemäß Fig. 1 ersichtlich, umfaßt ein erfindungs­ gemäßes Luftsaugsystem ein Saugrohr bzw. Saugrohrunterteil 10, welches über eine Trennebene 12 an einen Zylinderkopf 14 angeflanscht ist. Das Saugrohrunterteil 10 bildet einen Luftkanal 20 aus, welcher mit einem Einlaßkanal 22 im Zylinderkopf 14 in fluidlei­ tender Verbindung steht und so einen Saugkanal 20, 22 für einen zugeordneten, nicht dargestellten Zylinder ausbildet. Im Einlaßkanal 22 des Zylinderkopfes 14 ist ein Trenn­ blech 26 angeordnet, welches den Einlaßkanal 22 über eine vorbestimmte Strecke in zwei Kanäle 28 und 30 trennt.

Eine Schaltklappe 32 ist an einer Schaltklappenwelle 34 fixiert derart drehbar angeordnet, daß die Schaltklappe 32 wahlweise in einen offenen Zustand, wie mit gestrichelten Linien angedeutet, oder in einen geschlossenen Zustand, wie mit durchgezogenen Linien darge­ stellt, schwenkbar ist. Im offenen Zustand ist ein Querschnitt des Luftkanals 20 und des Einlaßkanals 22 vollständig freigegeben, so daß beispielsweise bei Vollast einer dem Luftsaugsystem zugeordneten Brennkraftmaschine eine maximale Beladung des bzw. der Zylinder sichergestellt ist. In Teillast oder Leerlauf der Brennkraftmaschine dagegen befin­ det sich die Schaltklappe 32 in geschlossener Stellung, in der sie mit einem freien Ende 36 am Trennblech 26 anschlägt und dadurch den Teilkanal 30 verschließt. Dadurch ist der wirksame Querschnitt des Einlaßkanals 22 derart verengt, daß es zu einer vorteilhaften Beladungsströmung kommt, welche auch im Teillastbetrieb oder im Leerlauf der Brenn­ kraftmaschine für eine gewünschte Beladung des Zylinders sorgt.

Die Schaltklappe 32 ragt in den Einlaßkanal 22 hinein und das freie Ende 36 der Schalt­ klappe ist leicht abgeknickt. Dadurch ist es möglich, daß die Schaltklappe 32 unter dem Drehmoment der Schaltklappenwelle 34 federnd nachgibt, bis alle mit der Schaltklappen­ welle 34 verbundenen Schaltklappen 32 verschiedener Zylinder am jeweiligen Trennblech 26 anschlagen. Auf diese Weise ist die erfindungsgemäße Konstruktion unempfindlich gegen Fertigungstoleranzen bzgl. unterschiedlicher Winkelstellungen verschiedener Schaltklappen 32 auf der Schaltklappenwelle 34. Mit anderen Worten schließen in ge­ schlossener Stellung alle Schaltklappen 32 einer Schaltklappenwelle 34 am Trennblech 26 einen Teil des Querschnittes des Luftkanals 20 bzw. des Einlaßkanals 22 dicht ab, da sich die Schaltklappenwelle 34 so lange dreht, bis die letzte Schaltklappe 32 am Trenn­ blech 26 anschlägt.

Der Einlaßkanal 22 ist in einem Anlagebereich der Schaltklappe 32 im offenen Zustand mit einer Ausnehmung 38 versehen, in die das abgeknickte Ende 36 eingreift. Auf diese Wei­ se ist eine minimale Beeinträchtigung einer Luftströmung im Einlaßkanal 22 gegeben. Auch die Schaltklappenwelle 34 ist in eine Wandung des Saugrohrunterteils 10 wenigstens teilweise versenkt, so daß auch diese die Luftströmung 40 im Einlaßkanal 22 nur minimal beeinflußt.

Erfindungsgemäß ist die Schaltklappenwelle 34 mit einer entsprechenden Wellenlage­ rung, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben wird, in der Trenne­ bene 12 zwischen dem Zylinderkopf 14 und dem Saugrohr 10 angeordnet, wobei sich die Drehachse der Schaltklappenwelle einerseits in der Trennebene 12 und andererseits in Höhe einer Wandung 40 des Saugkanals 20, 22 befindet. Um die Trennebene 12 umlau­ fend ist eine Dichtung 42 vorgesehen.

Zur Montage wird die zweckmäßigerweise vormontierte Schaltklappenanordnung 32, 34 in einen entsprechend ausgeführten Einlaß-Dichtflansch des Zylinderkopfes 14 in der Trenn­ ebene 12 eingelegt, um dann durch die Montage des Saugrohres 10 fixiert zu werden. Hierbei werden durch die Wellenlagerung am Zylinderkopf 14 eine gute Schaltklappen­ dichtfunktion ohne hohe Toleranzanforderungen sowie eine relativ einfache Montage ge­ währleistet. Die Lage der Schaltklappenwelle 34 in der Trennebene 12 auf Höhe der Ka­ nalwandung 40 sorgt für eine strömungsgünstige. Frischgasführung zur oberen Einlaßka­ nalhälfte 28 bei Schließstellung und eine in Offenstellung widerstandsarme Vollastdurch­ strömung, da die Schaltwelle nahezu ohne Störkontur flach und teilweise in der Ausneh­ mung 38 versenkt an der Wandung 40 anliegt.

Fig. 2 veranschaulicht in einer anderen Schnittebene die in der Trennebene 12 befindliche Wellenlagerung am Zylinderkopf 14, wobei eine für die Dichtigkeit der Schaltklappe 32 erforderliche Toleranzgüte durch ausschließlich am Zylinderkopf 14 nötige Bearbeitung gewährleistet ist. Die Lagerung der Schaltklappenwelle 34 umfaßt zylindrische Lagerzap­ fen 44 mit Lagerbohrung 46, wobei ein zylinderkopfseitiger Axialanschlag 48 die Position der Schaltklappenwelle 34 fixiert, während ein saugrohrseitiger Axialanschlag von einem elastischen Bauteil 50 ausgebildet ist.

Da die Trennebene 12 auch eine Abdichtfunktion aufweisen muß, wäre für eine äußere Betätigung der Schaltklappenwelle 34 eine entsprechende Abdichtung einer entsprechen­ den Wellendurchführung erforderlich. Statt einer äußeren Betätigung ist beispielsweise eine aus Fig. 3 ersichtliche innere Betätigung vorgesehen, bei der zwischen zwei Luftka­ nälen 20 in einem Totraum innerhalb eines Gehäuses des Saugrohres 10 ein durch eine Feder 52 belasteter Kolben 54 angeordnet ist. Mittels eines über einen Anschluß 56 ein­ geleiteten Unterdrucks erfolgt die Betätigung der Schaltklappenwelle 34 und damit der Schaltklappen 32 dadurch, daß sich der Kolben 54 verschiebt und auf einen drehfest mit der Schaltklappenwelle 34 verbundenen Hebelarm 58 wirkt. Der Hebelarm 58 wird von einer Feder 60 mit Kraft beaufschlagt und so in engem Kontakt mit dem Kolben 54 gehal­ ten. Die im Außenbereich der Trennebene 12 umlaufende Dichtung 42 umschließt somit den kompletten Schaltmechanismus.

Bei der aus Fig. 4 ersichtlichen, alternativen Ausführungsform ist keine Feder 60 vorgese­ hen. Statt dessen ist am Hebelarm 58 ein Permanentmagnet 62 vorgesehen, welcher mittels einer magnetischen Anziehungskraft den Hebelarm 58 am Kolben 54 hält, wobei der Kolben 54 mit einer beidseitigen U-förmigen Umfassung 64 des Permanentmagneten 62 eine wirksame Kraftverbindung sicherstellt. Hierbei ist bei der Montage keine Zentrie­ rung der Feder 60 am Zylinderkopf 14 und am Hebefarm 58 erforderlich, da die Feder 60 vollständig entfällt. Bei der Montage wird automatisch die kraftschlüssige Verbindung zwi­ schen dem Hebelarm 58 und dem Kolben 54 hergestellt.

Zusätzlich ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ein Sensor 66 vorgesehen, welcher die über Unterdruck gegen die Feder 52 bewirkte Stellung des Kolbens 54 erfaßt, wodurch indirekt das Schließen bzw. Öffnen der Schaltklappen 32 für eine nicht dargestellte Motor­ steuerung abgetastet wird.

Claims (15)

1. Luftansaugsystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Otto-Motor mit Direkteinspritzung, mit einem wenigstens einen Zylinder begrenzenden Zylinder­ kopf (14), einem Saugrohr (10), welches wenigstens einen Luftkanal (20) pro Zylinder aufweist, und pro Zylinder wenigstens einem in dem Zylinderkopf (14) angeordneten Einlaßkanal (22), wobei das Saugrohr (10) und der Zylinderkopf (14) über eine Tren­ nebene (12) derart miteinander verbunden sind, daß jeweils ein Luftkanal (20) des Saugrohres (10) mit einem entsprechenden Einlaßkanal (22) im Zylinderkopf (14) in fluidleitender Verbindung steht und je einen Saugkanal (20, 22) für je einen Zylinder ausbildet, wobei in jedem Saugkanal (20, 22) eine wahlweise den Querschnitt des Saugkanals (20, 22) verengende Schaltklappe (32) angeordnet ist und alle Schalt­ klappen (32) zu deren Betätigung auf einer gemeinsamen Schaltklappenwelle (34) befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltklappenwelle (34) mit entsprechender Wellenlagerung (44, 50) in der Trennebene (12) derart angeordnet ist, daß die Schaltklappenwelle (34) radial wenig­ stens teilweise in den Zylinderkopf (14) und wenigstens teilweise in das Saugrohr (10) hinein ragt.

2. Luftansaugsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Einlaßkanal (22) ein Trennblech (26) angeordnet ist, welches den Einlaßkanal (22) über einen vorbestimmten Abschnitt teilt, und daß die Schaltklappe (32) derart ausgebildet und angeordnet ist, daß sie in den Querschnitt des Einlaßkanals (22) ver­ engender Stellung am Trennblech (26) anschlägt.

3. Luftansaugsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltklappenwelle (34) derart angeordnet ist, daß die Drehachse der Schalt­ klappenwelle (34) in der Trennebene (12) verläuft.

4. Luftansaugsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl zylinderkopfseitig als auch saugrohrseitig angrenzend an die Trennebene (12) jeweils eine entsprechende Ausnehmung zur Aufnahme der Schaltklappenwelle (34) und deren Lagerung (44, 50) ausgebildet ist.

5. Luftansaugsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Trennebene (12) umlaufende Dichtung (42) vorgesehen ist.

6. Luftansaugsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltklappenwelle (34) derart angeordnet ist, daß die Drehachse der Schalt­ klappenwelle (34) im Bereich einer Kanalwandung (40) des Saugkanals (20, 22) an­ geordnet ist.

7. Luftansaugsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlagerung folgerndes aufweist, einen zylindrischen Lagerzapfen (44) mit Lagerbohrung (46), wobei ein zylinderkopfseitiger Anschlag (48) eine Position der Schaltklappenwelle (34) fixiert und ein saugrohrseitiger Anschlag mittels eines elasti­ schen Bauteiles (50) ausgebildet ist.

8. Luftansaugsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Betätigungseinrichtung für die Schaltklappenwelle (34) zwischen zwei Saug­ kanälen (20) innerhalb eines Gehäuses des Saugrohres (10) vorgesehen ist.

9. Luftansaugsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung einen drehfest mit der Schaltklappenwelle (34) ver­ bundenen Hebelarm (58) aufweist, auf den ein Betätigungsmittel (54) wirkt.

10. Luftansaugsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsmittel ein wahlweise mit Druck beaufschlagbarer, federbelasteter Kolben (54) ist.

11. Luftansaugsystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hebelarmfeder (60) derart vorgesehen ist, daß diese den Hebelarm (58) in Richtung Betätigungseinrichtung (54) mit Kraft beaufschlagt.

12. Luftansaugsystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebelarm (58) einen Permanentmagnet (62) derart aufweist, daß eine ma­ gnetische Anziehungskraft den Hebelarm (58) in Richtung Betätigungseinrichtung (54) mit Kraft beaufschlagt.

13. Luftansaugsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltklappenwelle (34) aus Aluminium gefertigt ist.

14. Luftansaugsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltklappen (32) aus einem elastischen Blech gefertigt sind.

15. Luftansaugsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die sowohl zylinderkopfseitig als auch saugrohrseitig angrenzend an die Trenne­ bene (12) jeweils entsprechend ausgebildete Ausnehmung zur Aufnahme der Schalt­ klappenwelle (34) halbkreisförmig als Lager für die Schaltklappenwelle (34) ausgebil­ det ist.