DE102006046534B4

DE102006046534B4 - Saugrohranordnung für eine Brennkraftmaschine mit einem gasführenden Strömungskanal

Info

Publication number: DE102006046534B4
Application number: DE102006046534A
Authority: DE
Inventors: Alexander Beck
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2010-07-08
Anticipated expiration: 2026-09-30
Also published as: DE102006046534A1

Abstract

Saugrohranordnung für eine Brennkraftmaschine mit einem gasführenden Strömungskanal, der eine Gaseinlassöffnung aufweist, wobei der Strömungskanal (2) im Bereich der Gaseinlassöffnung (9) ein bewegliches Kanalwandsegment (11) aufweist, das in Längserstreckung des Strömungskanals (2) zur Kanallängenveränderung und in Quererstreckung des Strömungskanals (2) zur Kanalquerschnittsveränderung mittels einer Stelleinrichtung verlagerbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung einen drehbar gelagerten Schwenkarm (13) und einen drehbar gelagerten Schwenkhebel (19) aufweist, wobei das Kanalwandsegment (11) an dem Schwenkarm (13) an einem ersten Anlenkpunkt (12) gehalten und in einem Schwenkradius R_a um eine ortsfeste Schwenkachse (14) schwenkbar ist und an dem Schwenkhebel (19) an einem zweiten Gelenkpunkt (18) gehalten und in einem Schwenkradius R_b um eine ortsfeste weitere Schwenkachse (20) schwenkbar ist, wobei die weitere Schwenkachse (20) außerhalb der Schwenkachse (14) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Saugrohranordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Saugrohre sind ein wesentlicher Bestandteil in einer Verbrennungsmotorbaugruppe, die zur Gaszuführung in direkter Zuleitung zum Zylinder des Motors angeordnet sind. Sie werden eingesetzt um eine größtmögliche Effizienz im Hinblick auf Leistung, Drehmoment und Kraftstoffverbrauch zu erzielen. Dabei wird der Effekt der Resonanzaufladung zur bestmöglichen Gasfüllung des Zylinders genutzt, der sich durch Schwingungsresonanzen innerhalb des Saugrohres in Abhängigkeit der Geometrie des Saugrohres und der Motordrehzahl ergibt. Angestrebt wird, den Effekt der Resonanzaufladung im Saugrohr über einen möglichst breiten Drehzahlbereich nutzen zu können. Die bestmögliche Gasfüllung bewirkt im unteren Drehzahlbereich eine Steigerung des Motordrehmoments und im mittleren und oberen Drehzahlbereich eine Leistungssteigerung des Motors. Dabei ist bekannt, dass sich der Wert der Resonanzfrequenz einer Gasleitung näherungsweise proportional zum wirksamen Leitungsdurchmesser und umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der wirksamen Leitungslänge verhält. Damit ist es für die Erzielung eines großen Resonanzfrequenzbereiches von Vorteil, wenn das Saugrohr im unteren Drehzahlbereich lang und dünn, aber für den mittleren und oberen Drehzahlbereich kurz und dick ist. Aus dem Stand der Technik sind eine Reihe von Lösungen bekannt, die eine stufenweise oder kontinuierliche Variation entweder der Saugrohrlänge (siehe DE 199 46 041 A1 , DE 101 20 218 A1 ) oder des Saugrohrquerschnittes (vgl. DE 10 2004 012 409 A1 ) vorschlagen. Eine bestmögliche Resonanzfrequenzänderung wird jedoch erreicht, wenn die Vergrößerung der Saugrohrlänge gleichzeitig mit der Verringerung des Saugrohrquerschnittes und umgekehrt vorgenommen wird.
Die EP 0 389 834 B1 schlägt diesbezüglich mehrere Einzelsaugrohre für einen Zylinder mit verschiedenen abgestuften Rohrlängen und einhergehenden Querschnittsabstufungen vor. Von den Einzelsaugrohren wird z. B. mit Drehzahlzunahme das kürzere Saugrohr durch Klappenregelung zugeschaltet und gleichzeitig das längere Saugrohr, durch eine Klappenregelung mit seitlicher Einströmöffnung, auf das Längenmaß des kürzeren Saugrohres verkürzt. Dabei weist das längere Saugrohr einen in Strömungsrichtung abgestuft größer werdenden Rohrquerschnitt auf, so dass das längere Saugrohr in der ver kürzten Stufe den gleichgroßen Querschnitt wie das kürzere Saugrohr aufweist. Diese Konstruktion ist aufgrund ihrer umfangreichen Verstelleinrichtungen sehr regelungsintensiv und damit störanfällig. Außerdem ist das Erfordernis der Vielzahl von Einzelsaugrohre und Verstelleinrichtungen mit einem hohen bautechnischen Aufwand und einem erheblichen Platzbedarf verbunden, der üblicherweise im Motorraum nicht zur Verfügung steht.
Aus der DE 37 40 403 C2 ist ein Saugrohr für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine bekannt, bei dem wirksame Saugrohrlängen zwischen einer minimalen und einer maximalen Saugrohrlänge mittels eines biegeelastischen und längenveränderlichen Verstellorgans einstellbar sind. Ähnliche Anordnungen sind aus der DE 601 12 191 T2 und der EP 0 571 894 A1 bekannt.
Aus der EP 0 255 059 B1 ist eine Variation der Resonanzfrequenz durch Veränderung der Geometrie einer Zuleitung bekannt, die in eine den Saugrohren vorgeschalteten Resonanzkammer führt. Hierbei ist in einer sich konisch aufweitenden Ausströmöffnung der Zuleitung ein keilförmiges Stellelement beweglich angeordnet. Das in Strömungsrichtung verstellbare Stellelement bewirkt eine Verzweigung der Zuleitung in zwei Teilzuleitungen und mithin eine kontinuierlich veränderbarer Länge der Teilzuleitungen bei gleichzeitiger Veränderung des Querschnittes der Teilzuleitungen. Der konstruktive Aufwand und der Platzbedarf hinsichtlich des Umfangs der Verstelleinrichtungen wird hierbei zwar gering gehalten, jedoch ist dieses Resonanzansaugsystem allein aufgrund der Resonanzerzeugung außerhalb der direkt beeinflussenden Saugrohre in seiner Wirksamkeit beschränkt, womit das erzielbare Resonanzfrequenzspektrum in den Saugrohren unbefriedigend gering ausfällt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Saugrohranordnung zu schaffen, mit der bei geringem Platzbedarf die Effizienz und das Spektrum der Resonanzfrequenzsteuerung verbessert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Bei dieser Lösung weist eine Stelleinrichtung einen drehbar gelagerten Schwenkarm und einen drehbar gelagerten Schwenkhebel auf, wobei ein Kanalwandsegment an dem Schwenkarm an einem ersten Anlenkpunkt gehalten und in einem Schwenkradius R_a um eine ortsfeste Schwenkachse schwenkbar ist. An dem Schwenkhebel ist das Kanalwandsegment an einem zweiten Gelenkpunkt gehalten und in einem Schwenkradius R_b um eine ortsfeste weitere Schwenkachse schwenkbar, wobei die weitere Schwenkachse außerhalb der Schwenkachse angeordnet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Kanalwandsegment beispielsweise eine längserstreckte Kanalwandausnehmung des Strömungskanals stetig verschließen oder öffnen und folglich den Strömungskanal in gewünschter Kanallänge und Kanalquerschnitt komplettieren. Mittels einer Stelleinrichtung wird in einer vorteilhaften Ausführungsform das Kanalwandsegment derart winklig zur Kanallängsachse des Strömungskanals geführt, dass beispielsweise bei einer Ausfahrbewegung des Kanalwandsegments nicht nur der komplettierte Strömungskanal verlängert wird, sondern sich gleichzeitig das Kanalwandsegment querschnittsverengend den Kanalwandungen des feststehenden Strömungskanals nähert.
Damit ist es möglich sowohl die wirksame Kanallänge als auch den wirksame Kanalquerschnitt des Saugrohres gleichzeitig mit nur einer Stelleinrichtung kontinuierlich zu variieren. Die Resonanzfrequenz des Saugrohres kann so mit geringem Ausrüstungsaufwand im Sinne einer konstruktiv einfachen Gestaltung synchron in zwei Freiheitsgrade abgestimmt werden. So kann im Saugrohr auf kleinem Bauraum eine verbesserte Resonanzaufladung in einem erweiterten Resonanzspektrum erreicht werden.
Die erfindungsgemäße Saugrohranordnung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
1 Auszug einer Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Saugrohranordnung im Anschluss an einen Motor,
2 einen Querschnitt durch den hier interessierenden Bereich der Saugrohranordnung mit dem Strömungskanal in einer Einschwenkstellung des Kanalwandsegments und
3 einen Querschnitt durch denselben Bereich der Saugrohranordnung mit dem Strömungskanal in einer Ausschwenkstellung des Kanalwandsegments.
1 zeigt in einer Teilansicht die erfindungsgemäße Saugrohranordnung 1 zur Ansaugung eines Kraftstoff-Luftgemisches oder nur Luft durch einen Strömungskanal 2 in einen Brennraum 3 eines nur ausschnittsweise dargestellten Zylinders 4 einer Brennkraftmaschine. Der Strömungskanal 2 mündet in einen mit einem taktenden Einlassventil 5 ausgerüsteten Einlasskanal 6 des Zylinders 4. Im Motorbetrieb gelangt das Verbrennungsgasgemisch über den Strömungskanal 2 der Saugrohranordnung 1 in den Brennraum 3. Der mit dem Bezugszeichen 7 versehene Richtungspfeil zeigt die Strömungsrichtung des Gasgemisches an.
In 2 ist der Strömungskanal 2 der erfindungsgemäßen Saugrohranordnung 1 in einer Schnittdarstellung näher ersichtlich. Der Strömungskanal 2 hat einen gekrümmten Verlauf mit einer im Wesentlichen kreisbogenförmigen Kanallängsachse 8 (die Kreisbogenform ist jedoch nicht zwingend). Von einer Gaseinlassöffnung 9 des Strömungskanals 2 geht eine längserstreckte Kanalwandausnehmung 10 aus, die durch ein bewegliches Kanalwandsegment 11 abdeckbar ist. Von der gesamten Kanalwandausnehmung 10 ist, zeichnerisch bedingt, lediglich die mit selbigem Bezugszeichen versehende Kanalkante der Kanalwandausnehmung 10 ersichtlich.
Das bewegliche Kanalwandsegment 11 ist an einem ersten Anlenkpunkt 12 mit einem Schwenkarm 13 verbunden, der um eine Schwenkachse 14 drehbar gelagert ist. Insbesondere kann vorgesehen sein (jedoch nicht zwingend), dass die Lage der Schwenkachse 14 dabei außerhalb eines geometrischen Mittelpunktes 15 der vorzugsweise kreisbogenförmigen Kanallängsachse 8 gewählt ist. Gemeinsam mit dem Schwenkarm 13 ist das Kanalwandsegment 11 in einem Schwenkradius R_a um diese Schwenkachse 14 schwenkbar und vollführt dabei im Bereich des ersten Anlenkpunktes 12 eine von der Krümmung des Strömungskanals 2 abweichende kreisbogenförmige Schwenkbewegung, so dass sich beispielsweise beim Ausschwenken im Urzeigersinn das Kanalwandsegment 11 der kreisbogenförmigen Kanallängsachse 8 des Strömungskanals 2 annähert, was gut aus 3 ersichtlich ist.
Das Kanalwandsegment 11 hat ebenfalls einen in Längserstreckung des Strömungskanals 2 gekrümmten Verlauf, so dass das Kanalwandsegment 11 beim Verschwenken permanent an der Kanalkante 10 der Kanalausnehmung 10 anliegt. Dabei gleitet das Kanalwandsegment 11 in diesem Kontaktbereich über eine flexible Dichtlippe 16, die an der Kanalkante 10 zur Abdichtung des Kanalwandsegmentes 11 gegenüber der Kanal ausnehmung 10 vorgesehen ist. Selbstverständlich sind zwangsläufig auch an den in der Schnittdarstellung nicht ersichtlichen Kontaktbereichen der Kanalausnehmung 10 mit dem zu dieser relativ bewegten Kanalwandsegment 11 flexible Dichtmittel zum Abdichten der Zwischenräume zwischen der Kanalausnehmung 10 und des Kanalwandsegmentes 11 vorgesehen. Ein Endabschnitt 17 des Kanalwandsegments 11, der der Gaseinlassöffnung 9 zugewandt ist, ist in Längserstreckung des Strömungskanals 2 stärker gekrümmt als das Kanalwandsegment 11, so dass sich der Strömungskanal 2 im Bereich des Endabschnittes 17 in einem stetigen Verlauf zur Gaseinlassöffnung 9 hin trichterförmig aufweitet.
Das Kanalwandsegment 11 ist in unmittelbarer Nähe des Endabschnittes 17 über einen weiteren, zweiten Anlenkpunkt 18 mit einem Schwenkhebel 19 verbunden, der um eine weitere Schwenkachse 20 drehbar gelagert ist, womit das Kanalwandsegment 11 im Bereich des zweiten Anlenkpunktes 18 zusätzlich in einem Radius R_b um die Schwenkachse 20 schwenkbar ist. Die Schwenkachse 20 des Schwenkhebels 19 ist von der Lage der Schwenkachse 14 des Schwenkarmes 13 und von der Lage des geometrischen Mittelpunktes 15 abweichend angeordnet. Dieser Schwenkhebel 19 bietet mithin nicht nur eine zusätzliche Stütze für das Kanalwandsegment 11 im Bereich des Endabschnittes 17 sondern erzeugt im Bereich des zweiten Anlenkpunktes 18 eine weitere, von der Krümmung des Strömungskanals 2 und von der kreisbogenförmigen Schwenkbewegung des Schwenkarmes 13 abweichende kreisbogenförmige Schwenkbewegung. Im Ergebnis verschwenkt sich das Kanalwandsegment 11, geführt vom Schwenkarm 13 und vom Schwenkhebel 19, durch Überlagerung beider kreisbogenförmigen Schwenkbewegungen von Schwenkarm 13 und Schwenkhebel 19, in einem resultierenden, nicht kreisbogenförmigen Schwenkverlauf. Die Lage der Schwenkachse 20 des Schwenkhebels 19 ist derart exzentrisch zur Lage der Schwenkachse 14 des Schwenkarmes 13 und vorzugsweise zur Lage des geometrischen Mittelpunktes 15 gewählt, dass beispielsweise beim Verschwenken des Schwenkhebels 19 im Urzeigersinn in Richtung Ausschwenkstellung des Kanalwandsegmentes 11 eine noch deutlichere Annäherung des Endabschnittes 17 des Kanalwandsegmentes 11 an die bogenförmige oder kreisbogenförmige Kanallängsachse 8 des Strömungskanals 2 hervorgerufen wird (siehe 3).
In der Einschwenkstellung nach 2 ist das Kanalwandsegment 11 bis auf den Endabschnitt 17 fast vollständig überlappend zum Strömungskanal 2 eingeschwenkt. In dieser Stellung hat der Strömungskanal 2 in Zusammenwirken mit dem Kanalwandsegment 11 eine wirksame Länge L₁ und einen sich infolge des trichterförmigen Endabschnittes 17 bis zur Gaseinlassöffnung 9 stetig aufweitenden, wirksamen Kanalquerschnitt A₁. Mit dem Ausschwenken des Schwenkarmes 13 und des Schwenkhebels 19 in Urzeigersinn verlagert sich das Kanalwandsegment 11 stetig in die Ausschwenkstellung nach 3, in der der Strömungskanal 2 in Zusammenwirken mit dem Kanalwandsegment 11 bezogen auf die mitgewanderte Gaseinlassöffnung 9 eine wirksame Länge L₂ und einen wirksamen Kanalquerschnitt A₂ aufweist.
Mit diesem stetigen Stellungswechsel von der Einschwenkstellung nach 2 zur Ausschwenkstellung nach 3 verlängert sich der Strömungskanal 2 von der wirksamen Länge L₁ auf eine stetig größer werdende wirksame Länge L₂ und verjüngt sich gleichzeitig vom wirksamen Kanalquerschnitt A₁ auf einen stetig kleiner werdenden wirksamen Kanalquerschnitt A₂. Dieser Längen- und Querschnittsänderung des Strömungskanals 2 vollzieht sich selbstverständlich auch in umgekehrter Folge beim Zurückschwenken des Schwenkarmes 13 und des Schwenkhebels 19 entgegen des Urzeigersinns von der Ausschwenkstellung in die Einschwenkstellung.
Die Geometrie des Strömungskanals 2 in der Einschwenkstellung nach 2 – auch als Leistungsstellung bezeichenbar – bewirkt eine besonders gute Resonanzaufladung der Gasfüllung im Strömungskanal 2 zur Leistungssteigerung des Motors im oberen Drehzahlbereich, wogegen die Geometrie des Strömungskanals 2 in der Ausschwenkstellung nach 3 – auch als Drehmomentstellung bezeichenbar- eine besonders gute Resonanzaufladung im Strömungskanal 2 zur Steigerung des Drehmomentes des Motors im unteren Drehzahlbereich erzielt. Die Konstruktion ermöglicht darüber hinaus in Anpassung an jede beliebige Drehzahl jede Zwischenstellung der Geometrie des Strömungskanals 2 zwischen der Einschwenkstellung und der Ausschwenkstellung stetig oder in vorbestimmten Stufen einzunehmen, um somit für einen breiten Drehzahlbereich die entsprechende Resonanzfrequenz zu erzielen.
Die erfindungsgemäße Saugrohranordnung 1 nach dem Ausführungsbeispiel beansprucht wenig Bauraum und ist effizient in einem großen Resonanzfrequenzbereich steuerbar.

1: Saugrohranordnung
2: Strömungskanal
3: Brennraum
4: Zylinders
5: Einlassventil
6: Einlasskanal
7: Strömungsrichtung
8: Kanallängsachse
9: Gaseinlassöffnung
10: Kanalwandausnehmung, Kanalkante der Kanalwandausnehmung
11: Kanalwandsegment
12: erster Anlenkpunkt
13: Schwenkarm
14: Schwenkachse des Schwenkarmes
15: geometrischer Mittelpunkt d. bogenförmigen Kanallängsachse
16: flexible Dichtlippe
17: Endabschnitt des Kanalwandsegments
18: zweiter Anlenkpunkt
19: Schwenkhebel
20: Schwenkachse des Schwenkhebels
R_a: Schwenkradius des Schwenkarmes
R_b: Schwenkradius des Schwenkhebels
L1: wirksame Länge des Strömungskanals in der Einschwenkstellung
A1: wirksamer Kanalquerschnitt des Strömungskanals in der Einschwenkstellung
L2: wirksame Länge des Strömungskanals in der Ausschwenkstellung
A2: wirksamer Kanalquerschnitt des Strömungskanals in der Ausschwenkstellung

Claims

Saugrohranordnung für eine Brennkraftmaschine mit einem gasführenden Strömungskanal, der eine Gaseinlassöffnung aufweist, wobei der Strömungskanal (2) im Bereich der Gaseinlassöffnung (9) ein bewegliches Kanalwandsegment (11) aufweist, das in Längserstreckung des Strömungskanals (2) zur Kanallängenveränderung und in Quererstreckung des Strömungskanals (2) zur Kanalquerschnittsveränderung mittels einer Stelleinrichtung verlagerbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung einen drehbar gelagerten Schwenkarm (13) und einen drehbar gelagerten Schwenkhebel (19) aufweist, wobei das Kanalwandsegment (11) an dem Schwenkarm (13) an einem ersten Anlenkpunkt (12) gehalten und in einem Schwenkradius R_a um eine ortsfeste Schwenkachse (14) schwenkbar ist und an dem Schwenkhebel (19) an einem zweiten Gelenkpunkt (18) gehalten und in einem Schwenkradius R_b um eine ortsfeste weitere Schwenkachse (20) schwenkbar ist, wobei die weitere Schwenkachse (20) außerhalb der Schwenkachse (14) angeordnet ist.
Saugrohranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (2) im Bereich der Gaseinlassöffnung (9) eine zum Strömungskanal (2) längserstreckte Kanalwandausnehmung (10) aufweist, die durch das Kanalwandsegment (11) verschließbar ist.
Saugrohranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalwandsegment (11) gleichzeitig in Längserstreckung und Quererstreckung des Strömungskanals (2) verlagerbar ist.
Saugrohranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (2) eine Kanallängsachse (8) aufweist, wobei das Kanalwandsegment (11) in einem spitzen Winkel zur Kanallängsachse (8) verlagerbar ist.
Saugrohranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (2) einen gekrümmten Verlauf parallel einer bogenförmigen, vorzugsweise im Wesentlichen kreisbogenförmigen, Kanallängsachse (8) aufweist.
Saugrohranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalwandsegment (11) in Längserstreckung des Strömungskanals (2) kreisbogenförmig gekrümmt ist.
Saugrohranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkachse (14) des Schwenkarmes (13) außerhalb eines geometrischen Mittelpunktes (15) der bogenförmigen Kanallängsachse (8) angeordnet ist.
Saugrohranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Krümmungsradius des Kanalwandsegmentes (11) gleich dem Schwenkradius R_a des Schwenkarmes (13) ist
Saugrohranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkachse (20) des Schwenkhebels (19) außerhalb des geometrischen Mittelpunktes (15) der kreisbogenförmigen Kanallängsachse (8) angeordnet ist.
Saugrohranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkradius R_b des Schwenkhebels (19) ungleich dem Schwenkradius R_a des Schwenkarmes (13) ist.
Saugrohranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalwandsegment (11) einen der Gaseinlassöffnung (9) zugewandten Endabschnitt (17) aufweist, wobei der Endabschnitt (17) in Längserstreckung des Strömungskanals (2) stärker gekrümmt ist als das Kanalwandsegment (11).
Saugrohranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalwandsegment (11) und die Kanalwandausnehmung (10) Kontaktbereiche aufweisen, die bei einer Relativbewegung des Kanalwandsegments (11) gegenüber dem Strömungskanal (2) miteinander korrespondieren, wobei an den Kontaktbereichen der Kanalausnehmung (10) und/oder des Kanalwandsegments (11) flexible Dichtmittel (16) zum Abdichten des Strömungskanals (2) vorgesehen sind.