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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ansaugeinrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Im Unterschied zu älteren Ansaugeinrichtungen, bei denen die Drosselklappe über einen Seilzug mit einem „Gaspedal” bzw. einem „Gasdrehgriff” (eines Motorrads) verbunden war, kommen heutzutage ganz überwiegend sogenannte „E-Gassysteme” zum Einsatz, bei denen die Drosselklappe durch einen Elektromotor (wie bei der
DE 31 46 652 C1 ) betätigt wird. Aus der
DE 31 46 652 C1 ist eine Drosselklappenverstelleinrichtung bekannt, bei der ein elektrischer Stellmotor vorgesehen ist, der über ein zweistufiges Zahnradgetriebe mit einer Drosselklappenwelle verbunden ist.
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Im Leerlauf des Verbrennungsmotors ist die Drosselklappe fast vollständig geschlossen, was zu einer ungünstigen Gemischbildung führt und die Regelung der „Leerlaufluft” schwierig macht. Eine Verbesserung der Regelung der Leerlaufluft kann durch ein „separates Leerlaufsystem” erreicht werden, welches von der Motorelektronik gesteuert wird und eine Einleitung von Leerlaufluft direkt vor dem Einlassventil (bzw. vor den Einlassventilen) des Verbrennungsmotors ermöglicht. Ein separates Leerlaufsystem ist jedoch stets mit Zusatzkosten und zusätzlichem Gewicht verbunden und beansprucht darüber hinaus wertvollen Bauraum.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ansaugeinrichtung für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, die kostengünstig und konstruktiv einfach aufgebaut ist und eine gute Regelung des dem Verbrennungsmotor zugeführten Luftstroms ermöglicht, insbesondere im Leerlaufbetrieb.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Ausgangspunkt der Erfindung ist eine Ansaugeinrichtung für einen Verbrennungsmotor. Der Verbrennungsmotor kann ein, zwei, drei, vier oder mehr Zylinder aufweisen. Es kann sich z. B. um einen Verbrennungsmotor für (Straßen-)Fahrzeuge handeln und zwar sowohl für einspurige Fahrzeuge (z. B. Motorräder) als auch für zweispurige Fahrzeuge (z. B. Pkw).
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Die Ansaugeinrichtung weist einen „Luftkanal” auf, über den dem Verbrennungsmotor Luft zuführbar ist. Der Luftkanal kann mit einem einzigen Zylinder des Verbrennungsmotors oder über einen Ansaugkrümmer mit mehreren Zylindern des Verbrennungsmotors in Fluidverbindung stehen.
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In dem Luftkanal ist eine Drosselklappe angeordnet, die im Folgenden auch als „Drosselelement” bezeichnet wird, angeordnet. Üblicherweise ist die Drosselklappe schwenkbar angeordnet. Dies muss aber nicht unbedingt der Fall sein. Die Drosselklappe könnte auch translatorisch verschiebbar oder in anderer Weise beweglich angeordnet sein. Dementsprechend ist der Begriff „Drosselklappe” äußerst breit auszulegen. Gemeint ist ganz allgemein ein „bewegbar angeordnetes Drosselelement”, dessen momentane Stellung den wirksamen Strömungsquerschnitt des Luftkanals definiert.
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Zur Betätigung, d. h. zur Verstellung der Drosselklappe ist ein Aktuator bzw. eine Aktuatorik vorgesehen, der bzw. die über eine „Übersetzungseinrichtung” mit der Drosselklappe „koppelbar” ist. „Koppelbar” bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Aktuator nicht in jedem Betriebszustand bzw. in jeder Stellung mit der Drosselklappe gekoppelt sein muss.
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Als Aktuator kommt insbesondere ein feinfühlig regelbarer Elektromotor in Betracht. Bei dem Elektromotor kann es sich um einen Elektromotor handeln, dessen Anker in Stufen verstellbar ist (sogenannter Schrittmotor) oder um einen kontinuierlich verstellbaren Elektromotor.
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Um eine gute Regelbarkeit des Leerlaufverhaltens des Verbrennungsmotors zu ermöglichen, ist gemäß der Erfindung ein sogenannter „Nebenluftkanal„ vorgesehen, über den Luft aus einem „vor” der Drosselklappe befindlichen Bereich des Luftkanals unter Umgehung der Drosselklappe in einen „nach” der Drosselklappe befindlichen Bereich des Luftkanals leitbar ist. Der nach der Drosselklappe befindliche Bereich des Luftkanals ist dem bzw. den Zylindern des Verbrennungsmotors zugewandt. Der vor der Drosselklappe befindliche Bereich ist dem Zylinder bzw. den Zylindern des Verbrennungsmotors abgewandt.
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Gemäß der Erfindung ist ferner ein Verstellelement zum Verstellen des Strömungsquerschnitts des Luftkanals vorgesehen.
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Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Aktuator bzw. die Aktuatorik über ein Element der Übersetzungseinrichtung oder über ein mit einem Element der Übersetzungseinrichtung verbundenes Element mit dem Verstellelement koppelbar ist, wobei ausgehend von einem Leerlaufzustand des Verbrennungsmotors bei einem Gasgeben zunächst das Verstellelement und erst bei einem weiteren Gasgeben das Drosselelement geöffnet wird.
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Im Leerlaufbetrieb, d. h. wenn der Fahrer das Gasvorwahlelement (Gaspedal bei einem Pkw bzw. Gasdrehgriff bei einem Motorrad) nicht betätigt, kann vorgesehen sein, dass dem Verbrennungsmotor Luft primär oder ausschließlich über den Nebenluftkanal zugeführt wird. Wie viel Luft der Verbrennungsmotor im Leerlaufbetrieb bekommt, ist somit primär durch die momentane Stellung des Verstellelements definiert. Der Luftkanal (Hauptluftkanal) kann im Leerlaufbetrieb des Verbrennungsmotors vollständig oder nahezu vollständig durch die Drosselklappe abgesperrt sein.
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Gibt der Fahrer Gas, z. B. beim Anfahren, so verbleibt das Drosselelement bzw. die Drosselklappe gemäß der Erfindung zunächst in seiner bzw. ihrer Ausgangsstellung, wohingegen das Verstellelement so verstellt wird, dass sich der Strömungsquerschnitt des Nebenluftkanals vergrößert und dem Verbrennungsmotor somit mehr Luft zugeführt wird.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verstellelement bei Erreichen einer vorgegebenen maximalen Öffnungsstellung des Verstellelements in dieser maximalen Öffnungsstellung gehalten wird und ein weiteres Gasgeben ausschließlich durch Betätigen des Drosselelements bzw. der Drosselklappe erfolgt.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass das Drosselelement bzw. die Drosselklappe erst dann betätigt wird, wenn das Verstellelement seine maximale Öffnungsstellung erreicht hat.
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Gemäß der Erfindung wird die Regelung der Leerlaufluft in den sogenannten E-Gasstutzen verlegt, wobei, wie bereits erläutert, die Luft im unteren Lastbereich nicht über die Drosselklappe geregelt wird, sondern über ein das Verstellelement, welches mit einer Getriebekomponente der kinematisch zwischen dem Aktuator und der Drosselklappenwelle angeordneten Übersetzungseinrichtung gekoppelt ist. Es kann vorgesehen sein, dass an einem Getriebeelement, z. B. an einem Zahnrad der Übersetzungseinrichtung ein Hebel oder ein anderes Element angebracht wird, welches in einem vorgegebenen Drehwinkelbereich des Getriebeelements das Verstellelement betätigt. Durch Betätigen des Verstellelements kann somit die Leerlaufluft geregelt und z. B. über ein Drosselklappengehäuse und geeignete Schläuche direkt in den Zylinderkopf vor ein Einlassventil des Verbrennungsmotors geleitet werden. Dadurch verbessert sich die Gemischbildung im unteren Lastbereich. Auf ein separates Leerlaufregelsystem kann verzichtet werden.
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Für eine Regelung der Drosselklappe muss die aktuelle Drosselklappenstellung bekannt sein. Die Stellung der Drosselklappe kann über einen Sensor, welcher auf der Welle der Drosselklappe angeordnet ist, detektiert werden. Beim Start des Verbrennungsmotors wird, sobald die Zündung eingeschaltet ist, eine Initialisierung durchgeführt, wobei die Drosselklappe von dem Aktuator in eine vorgegebene Stellung gefahren wird, wobei überprüft wird, ob die Position, welche der Stellungssensor anzeigt, mit der elektronisch eingesteuerten Stellung korreliert. Wenn dies der Fall ist, kann der Motor gestartet werden. Während des Betriebs des Verbrennungsmotors wird die Drosselklappenstellung permanent von der Motorsteuerung überwacht und im Regelkreis zur Ansteuerung des Aktuators verwendet.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Drosselklappe durch eine Vorspanneinrichtung in Richtung einer vorgegebenen Schließ- oder Grundstellung, in der der Luftkanal vollständig oder nahezu vollständig durch die Drosselklappe abgesperrt ist, vorgespannt ist. Als Vorspanneinrichtung bzw. „Schließfeder” kann z. B. eine Drehfeder verwendet werden.
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Wird die Drosselklappe während des Betriebs des Verbrennungsmotors geöffnet, so „arbeitet” der Aktuator bzw. die Aktuatorik gegen die von der Vorspanneinrichtung erzeugte Schließkraft. Der Aktuator bzw. die Aktuatorik erzeugt ein Öffnungsmoment, welches über die Übersetzungseinrichtung auf die Drosselklappe übertragen wird und diese entgegen der Kraft der Vorspanneinrichtung in eine entsprechende Öffnungsstellung bewegt.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann – in Strömungsrichtung der Ansaugluft – nach der Drosselklappe ein Kraftstoffeinspritzventil angeordnet sein. Vorzugsweise mündet der Nebenluftkanal – in Strömungsrichtung der Ansaugluft betrachtet – nach dem Kraftstoffeinspritzventil in den Luftkanal. Das Einspritzventil muss aber nicht unbedingt in den Luftkanal einspritzend angeordnet sein. Es könnte auch so angeordnet sein, dass direkt in den Zylinder eingespritzt wird (direkt einspritzender Verbrennungsmotor). Ganz allgemein sollte die Lufteinleitung aus dem Nebenluftkanal so nah wie möglich vor dem Einlassventil erfolgen, und zwar so, dass sich möglichst optimale Strömungsverhältnisse ergeben.
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Die Übersetzungseinrichtung kann als Zahnradgetriebe ausgebildet sein und eine oder mehrere Zahnradstufen aufweisen. Es kann vorgesehen sein, dass das Verstellelement von einem Getriebeelement (z. B. Zahnrad) oder vom einem mit einem Getriebeelement verbundenen Element (z. B. Hebel o. ä.) betätigbar bzw. öffenbar ist.
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Es ist vorgesehen, dass das Verstellelement einen Ventilkörper aufweist, der mit einem Ventilsitz zusammenwirkt, welcher an einem Eingang oder an einem Ausgang des Nebenluftkanals oder in dem Nebenluftkanal angeordnet ist. Ähnlich wie bei einem Proportionalventil bestimmt somit die momentane Stellung des Verstellelements den wirksamen Strömungsquerschnitt des Nebenluftkanals.
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Das Verstellelement kann z. B. rotationssymmetrisch zulaufend, insbesondere keglig, ausgebildet sein. Alternativ dazu könnte das Verstellelement auch eine pilzkopfartige Form o. ä. haben. Auch andere Aus-führungsformen sind denkbar. Das Verstellelement könnte z. B. als verschiebbarer bzw. verschwenkbarer Schieber o. ä. ausgebildet sein.
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Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 das Grundprinzip einer Ansaugeinrichtung mit einem für den Niedriglastbetrieb vorgesehenen Nebenluftkanal;
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2 Einzelheiten einer erfindungsgemäßen Ansaugeinrichtung in schematischer Darstellung;
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3–5 verschiedene Stellungen einer erfindungsgemäßen Ansaugeinrichtung; und
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6 ein Diagramm zur Erläuterung des „Betätigungsverhaltens” des Verstellelements in Bezug auf die Drosselklappe.
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1 zeigt in stark schematisierter Darstellung einen Zylinder 1 eines Hubkolbenmotors 2. In dem Zylinder 1 ist ein verschieblich angeordneter Kolben 3 vorgesehen, der über ein Pleuel 4 mit einer Kurbelwelle 5 gekoppelt ist. In einem oberen Bereich des Zylinders 1 ist ein Einlassventil 6 angeordnet. In der hier gezeigten Stellung ist das Einlassventil 6 geschlossen.
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Bei geöffnetem Einlassventil 6 kann dem Zylinder 1 ein Kraftstoff-Luftgemisch zugeführt werden. Hierzu ist ein Luftkanal 7 vorgesehen, in dem eine Drosselklappe 8 beweglich angeordnet ist. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Drosselklappe 8 um eine mittig in Bezug auf die Drosselklappe 8 angeordnete Drosselklappenwelle 9 schwenkbar. Zwischen der Drosselklappe 8 und dem Zylinder 1 ist ein in den Luftkanal mündendes Einspritzventil 10 vorgesehen. Über das Einspritzventil 10 kann Kraftstoff in den Luftkanal 7 eingespritzt werden.
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Um eine gute Regelbarkeit des Leerlaufverhaltens des Hubkolbenmotors 2 zu erreichen, ist ein hier nur äußerst schematisch dargestellter Nebenluftkanal 11 vorgesehen. Über den Nebenluftkanal 11 kann Luft aus einem vor der Drosselklappe 8 befindlichen Bereich 12 in einen nach der Drosselklappe 8 befindlichen Bereich 13 des Luftkanals 7 geleitet werden. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel mündet der Nebenluftkanal 11 unmittelbar vor dem Einlassventil 6 in den Luftkanal 7.
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Vollständigkeitshalber sei ein mit dem Bezugszeichen 14 versehener Pfeil erwähnt, welcher die Strömungsrichtung der dem Hubkolbenmotor 2 zugeführten Luft im Luftkanal 7 anzeigt.
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Die 2 zeigt Einzelheiten einer erfindungsgemäßen Ansaugeinrichtung in schematischer Darstellung. Zur Verstellung der Drosselklappe 8, welche um die Drosselklappenwelle 9 schwenkbar ist, ist ein durch einen Elektromotor 15 gebildeter Aktuator vorgesehen. Der Elektromotor 15 ist über ein mehrstufiges Zahnradgetriebe 16 mit der Drosselklappe 8 koppelbar. Ein Antriebsritzel 17 des Elektromotors 15 kämmt mit einem Zahnrad 18. Ein drehfest mit dem Zahnrad 18 verbundenes Zwischenritzel 19 kämmt mit einem Zahnrad 20. Über einen Hebelmechanismus 21, der im Zusammenhang mit den 3–5 noch näher erläutert wird, betätigt das Zahnradgetriebe 16 die Drosselklappe 8 bzw. einen Verstelleinrichtung 22, die bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel einen kegeligen Ventilkörper 23 aufweist, welcher mit einem Ventilsitz 24 zusammenwirkt. Die Verstelleinrichtung 22 bestimmt den wirksamen Strömungsquerschnitt des Nebenluftkanals 11 (vgl. 1).
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Der Ventilkörper 23 wird durch eine Zugfeder 25 oder eine andere Vorspanneinrichtung in Richtung einer Position vorgespannt, in der der Nebenluftkanal 11 einen maximalen Strömungsquerschnitt aufweist, d. h. in der die Verstelleinrichtung 22 maximal geöffnet ist. Über den Hebelmechanismus 21 kann der Ventilkörper 23 in eine Leerlaufposition verschoben werden, in der der effektive Strömungsquerschnitt kleiner als der maximale Strömungsquerschnitt ist.
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Vollständigkeitshalber sei noch eine Schließfeder 26 erwähnt, welche auf die Drosselklappe 8 ein Schließmoment ausübt, welches die Drosselklappe 8 in Richtung einer vorgegebenen Schließstellung vorspannt, in der der Luftkanal 7 vollständig oder nahezu vollständig geschlossen ist.
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Die 3–5 erläutern verschiedene Stellungen einer Ansaugeinrichtung gemäß der Erfindung.
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An dem Zwischenritzel 19 des Zahnradgetriebes 16 oder an dem drehfest mit dem Zwischenritzel 19 verbundenen Zahnrad 18 ist ein Betätigungshebel 27 vorgesehen, der z. B. durch eine angespritzte Rippe o. ä. gebildet sein kann.
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Inder in 3 gezeigten Stellung des Zahnradgetriebes 16 drückt der Betätigungshebel 27 den Ventilkörper 23 bzw. eine damit verbundene „Kolbenstange 24” entgegen der Kraft der Zugfeder 25 nach unten in eine „Leerlaufposition”, in der der durch die Verstelleinrichtung 22 bestimmte wirksame Strömungsquerschnitt des Nebenluftkanals 11 (vgl. 1) vergleichsweise klein ist.
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Die Drosselklappe 8 befindet sich in dieser Stellung des Zahnradgetriebes 16 in ihrer Grundposition, in der sie den Luftkanal 7 (vgl. 1) vollständig oder nahezu vollständig absperrt.
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4 zeigt die in 3 gezeigte Ansaugeinrichtung in einer Stellung, in der bereits „etwas Gas gegeben” wird. Die Zahnräder 18, 19 sind im Vergleich zu der in 3 gezeigten Zahnradstellung circa 10° im Uhrzeigersinn verschwenkt, was durch einen Pfeil 28 angedeutet ist. Dementsprechend ist das Zahnrad 20 im Vergleich zu der in 3 gezeigten Stellung entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt, was durch einen Pfeil 29 angedeutet ist.
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Wie aus 4 ersichtlich ist, ist die Verstelleinrichtung 22 in der dort gezeigten Stellung weitgehend oder vollständig entlastet. Der Ventilkörper 23 gibt somit einen größeren Strömungsquerschnitt frei als in der 3 gezeigten Stellung.
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In der 4 gezeigten Stellung liegt ein an dem Zahnrad 20 vorgesehener Mitnehmer 30 an einem Hebel an, der drehfest mit der Drosselklappenwelle 9 verbunden ist und von dieser radial absteht. Die Drosselklappe 8 befindet sich in der in 4 gezeigten Stellung der Ansaugeinrichtung gerade noch in ihrer Grundstellung, d. h. der Mitnehmer 30 übt gerade noch kein (Öffnungs-)Drehmoment auf die Drosselklappe 8 aus.
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Sollte die „Aktuatorik” (z. B. der Elektromotor 15) einmal ausfallen, so wird die Drosselklappe 8 durch die Schließfeder 26 in Ihren Grundzustand verschwenkt, d. h. in eine Stellung, in der der Luftkanal 7 geschlossen oder nahezu geschlossen ist. Um dennoch ein langsames Weiterfahren zu ermöglichen („Limp Home Funktion”) ist vorgesehen oder kann vorgesehen sein, dass die durch die Zugfeder 25 gebildete Vorspanneinrichtung die Verstelleinrichtung 22 in die in 4 dargestellte Position bewegt, in der der Verbrennungsmotor zumindest noch so viel Luft bekommt, dass man das Fahrzeug langsam bis zur nächsten Werkstatt fahren kann. Im „Limp Home-Modus” Zustand ist die Verstelleinrichtung 22 also maximal oder nahezu vollständig geöffnet.
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Durch weiteres „Gasgeben”, d. h. durch Ansteuern des Elektromotors 15 über ein hier nicht dargestelltes Gaspedal oder einen hier nicht dargestellten Gasdrehgriff, wird die Ansaugeinrichtung weiter in Richtung der Pfeile 28, 29 verdreht, was in 5 dargestellt ist.
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Die Verstelleinrichtung 22 ist in dieser Stellung maximal geöffnet, d. h. der Nebenluftkanal hat in dieser Stellung seinen maximalen Strömungsquerschnitt. Der Ventilkörper 23 ist somit vollständig eingezogen, was daran erkennbar ist, dass der Hebel 27 von der „Kolbentange 24” abgehoben ist. Der Luftkanal 7 (vgl. 1) ist in der in 5 gezeigten Stellung maximal geöffnet, wobei der Mitnehmer 30 die Drosselklappe 8 über den Hebel 31 entgegen der von der Schließfeder 26 ausgeübten Kraft in die in 5 gezeigte Stellung drückt.
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6 erläutert das Betätigungsverhalten einer erfindungsgemäßen Ansaugeinrichtung. Auf der Abszisse der beiden Diagramme ist der Betätigungswinkel α aufgetragen, der z. B. dem Gaspedalwinkel oder dem Drehwinkel eines Gasdrehgriffs entspricht. Auf der Ordinate des oberen Diagramms ist der Verstellwinkel ΦVerstellelement aufgetragen, z. B. der Verstellwinkel des in den 3–5 gezeigten Hebels 27 in Bezug auf eine vorgegebene Ausgangsstellung.
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Auf der Ordinate des unteren Diagramms ist der Öffnungswinkel ΦDrosselklappe der Drosselklappe 8 aufgetragen.
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Im Leerlaufbetrieb, d. h. wenn der Fahrer „kein Gas gibt” ist α = 0. Das Verstellelement bzw. der Hebel 27 und die Drosselklappe 8 befinden sich jeweils in ihrer vorgegebenen Ausgangsstellung. Gibt der Fahrer Gas, so verdreht der Elektromotor 15 über das Zahnradgetriebe 16 das Verstellelement bzw. den Hebel 27 von der in 3 gezeigten Position in die in 4 gezeigte Position. Bis zu einem Gaspedal bzw. Gasdrehgriffwinkel α1 wird nur die Verstelleinrichtung 22, nicht aber die Drosselklappe 8 betätigt.
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Bei Erreichen des Winkels α1 ist die Verstelleinrichtung 22 maximal geöffnet, d. h. der Strömungsquerschnitt des Nebenluftkanals 11 ist maximal.
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Bei einem weiteren Gasgeben hebt der Hebel 27 von der Kolbenstange 24 der Verstelleinrichtung 22 ab, d. h. die Verstelleinrichtung 22 bleibt maximal geöffnet. Ab dem Betätigungswinkel α1 erfolgt das weitere Gasgeben ausschließlich durch Verschwenken der Drosselklappe 8.
