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Die Erfindung betrifft einen Ansaugkanal, mit dessen Hilfe ein Gas, insbesondere Frischluft und/oder ein Kraftstoff/Luft-Gemisch, in einen Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs geleitet werden kann.
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Aus
DE 102 45 111 A1 ist ein Ansaugkanal bekannt, bei dem eine an einem Ende schwenkbar angelenkte perforierte Schaltklappe in einer aktivierten Stellung in eine von einem Kanalkörper begrenztes Strömungsvolumen hineinragen kann, um eine Tumble- oder Swirl-Strömung zu erzeugen, und in einer deaktivierten Stellung außerhalb des Strömungsvolumens in den Kanalkörper versenkt werden kann.
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Es besteht ein ständiges Bedürfnis Bauteilbelastungen in einem Ansaugkanal eines Kraftfahrzeugs zu reduzieren.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die einen Ansaugkanal eines Kraftfahrzeugs mit geringen Bauteilbelastungen ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch einen Ansaugkanal mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Erfindungsgemäß ist eine Ansaugkanal zum Ansaugen eines Gases, insbesondere Frischluft und/oder ein Kraftstoff/Luft-Gemisch, für einen Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs vorgesehen mit einem ein Strömungsvolumen des Gases begrenzenden Kanalkörper und einer Schaltklappe zur Erzeugung einer Strömungsbewegung des Gases innerhalb des Strömungsvolumens in einer aktivierten Stellung der Schaltklappe, wobei die Schaltklappe eine in der aktivierten Stellung in das Strömungsvolumen hineinragende Windfahne und eine von dem Strömungsvolumen und der Windfahne wegweisende in ein Aufnahmevolumen des Kanalkörpers hineinragende Gegenfahne aufweist, wobei das Aufnahmevolumen stromaufwärts zur Windfahne in der aktivierten Stellung der Schaltklappe mit dem Strömungsvolumen kommuniziert.
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In einer deaktivierten Stellung der Schaltklappe kann die Schaltklappe aus dem Strömungsweg des Gases positioniert sein, so dass, sofern überhaupt, nur geringe Kräfte von der Strömung des Gases auf die Schaltklappe ausgeübt werden. In der aktivierten Stellung der Schaltklappe ragt die Schaltklappe mit der Windfahne in das von dem Kanalkörper begrenztes Strömungsvolumen des Ansaugkanals hinein, so dass die Gasströmung auf die Windfahne auftreffen kann, wodurch die Windfahne eine Strömungsbewegung des Gases verursacht. Dadurch kann die Gasströmung insbesondere geeignet umgelenkt werden um eine Taumelströmung („Tumble-Strömung“ und/oder eine Wirbelströmung („Swirl-Strömung“) zu erzeugen, die vorzugsweise eine besonders gute Durchmischung eines Kraftstoff/Luft-Gemischs innerhalb des Verbrennungsraums der Brennkraftmaschine ermöglicht. Durch das Auftreffen des Gases an der Windfahne kann ein Staudruck entstehen, der das Bestreben hat die Schaltklappe in die deaktivierte Stellung zurück zu drücken, so dass von der Schaltklappe, insbesondere einer Lagerung der Schaltklappe und/oder einem für die Betätigung der Schaltklappe zwischen der deaktivierten und der aktivierten Stellung vorgesehenen Stellmotor, eine entsprechend hohe Gegenkraft aufgebracht und gehalten werden muss. Durch die stromaufwärts zur Windfahne mit dem Strömungsvolumen kommunizierende Gegenfahne, die insbesondere als eine Verlängerung der Windfahne über eine Drehachse der Schaltklappe hinaus ausgestaltet ist, kann der an der Windfahne anliegende Druck auch an der Gegenfahne anliegen. Über die Gegenfahne kann dadurch ein Gegenmoment aufgeprägt werden, das dem über die Windfahne eingeleitetem Moment entgegengesetzt ist. Das im Bereich der Drehachse der Schaltklappe angreifende resultierende Moment kann dadurch erheblich reduziert, insbesondere im Wesentlichen eliminiert werden, so dass Bauteilbelastungen im Bereich der Schaltklappe, insbesondere der Lagerung der Schaltklappe und/oder des Stellmotors, entsprechend reduziert werden können. Insbesondere können dadurch Belastungsspitzen, die beispielweise durch Druckwellen innerhalb der Gasströmung, insbesondere bei mit Hilfe eines Turboladers aufgeladenen Gasströmungen, entstehen können, leichter ausgehalten werden, so dass die Lebensdauer der Schaltklappe erhöht werden kann. Gleichzeitig ist es vereinfacht auch bei einem sich ändernden Massenstrom des angesaugten Gases die Schaltklappe in der gewünschten Position zu halten, so dass Stellfehler der Schaltklappe und/oder Vibrationen der Schaltklappe vermieden werden können, wodurch wiederum Geräuschemissionen reduziert werden können. Durch die stromaufwärts mit dem Strömungsvolumen kommunizierende Gegenfahne kann ein von der Windfahne in der aktivierten Stellung auf eine Lagerung der Schaltklappe einwirkendes Moment kompensiert werden, so dass ein Ansaugkanal eines Kraftfahrzeugs mit geringen Bauteilbelastungen und geringen Geräuschemissionen ermöglicht ist.
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Das Strömungsvolumen ist ein Volumen, das in der deaktivierten Stellung der Schaltklappe von dem angesaugten Gas regulär durchströmt wird, ohne seitlich abzweigende Totvolumina, an denen die Gasströmung im Wesentlichen vorbeiströmt und allenfalls mit einem vernachlässigbaren Massenanteil einer Rückströmung hineingelangt. Die Windfahne und die Gegenfahne sind insbesondere einstückig ausgestaltet. Die Windfahne und die Gegenfahne sind vorzugsweise aus einem Metall, insbesondere durch Stanzen aus einem Metallblech, hergestellt. Die Schaltklappe kann insbesondere eine Schaltwelle aufweisen, die um die Drehachse der Schaltklappe drehbar ist und in einer geeigneten Lagerung gelagert sein kann. Die Windfahne und/oder die Gegenfahne ist insbesondere mit der Schaltwelle befestigt oder einstückig ausgeführt. Das angesaugte Gas kann eine Gasmischung, insbesondere Umgebungsluft sein. Es ist auch möglich, dass das Gas flüssige und/oder feste Komponenten enthält, beispielsweise Kraftstoff und/oder Rußpartikel. Das angesaugte Gas verhält sich insbesondere im Wesentlichen wie ein Fluid.
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Insbesondere ist die Schaltklappe um eine Drehachse drehbar, wobei die Drehachse außerhalb des Strömungsvolumens vorgesehen ist. Die Lagerung der Schaltklappe kann dadurch aus dem Strömungsvolumen heraus verlagert sein, so dass die Schaltklappe in der deaktivierten Stellung nur einen geringen, sofern überhaupt, Strömungswiderstand bietet. Insbesondere ist die Lagerung der Schaltklappe in dem Kanalkörper vorgesehen.
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Vorzugsweise ist die Gegenfahne zwischen einer deaktivierten Stellung der Schaltklappe und einer maximalen aktivierten Stellung der Schaltklappe vollständig in dem Aufnahmevolumen angeordnet. Die Gegenfahne ist dadurch unabhängig von der Relativlage der Schaltklappe zum Kanalkörper vollständig außerhalb des Strömungsvolumens angeordnet, so dass die Gegenfahne den Strömungswiderstand im Strömungsvolumen nicht erhöht. Das Aufnahmevolumen ist hierbei hinreichend groß genug dimensioniert, um eine hinreichend weite Schwenkbewegung der Gegenfahne zwischen der deaktivierten Stellung und der maximal aktivierten Stellung zu ermöglichen. In der maximal aktivierten Stellung ist die Schaltklappe im Vergleich zu der deaktivierten Stellung um einen maximal vorgesehenen Winkelbetrag verdreht. Die maximal aktivierte Stellung der Schaltklappe kann durch ein Anschlagen der Gegenfahne innerhalb des Aufnahmevolumens definiert sein.
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Besonders bevorzugt weist der Kanalkörper zwischen dem Aufnahmevolumen und dem Strömungsvolumen ein perforiertes Kanalwandstück auf. Über die Perforationen kann ein ausreichender Druckausgleich zwischen dem Aufnahmevolumen und dem stromaufwärts zur Windfahne gelegenen Strömungsvolumen erreicht werden. Gleichzeitig kann das perforierte Kanalwandstück das Strömungsvolumen ausreichend begrenzen, um unnötige Verwirbelungen der Gasströmung in das Aufnahmevolumen hinein zu vermeiden, wodurch ein geringer Strömungswiderstand erreicht ist.
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Insbesondere verschließt die Gegenfahne in der deaktivierten Stellung der Schaltklappe Perforationen des Kanalwandstücks. Die Gegenfahne kann in der deaktivierten Stellung der Schaltklappe die Perforationen von dem Aufnahmevolumen her abdecken, so dass eine unbeabsichtigte Strömung des Gases durch die Perforationen in das Aufnahmevolumen blockiert oder zumindest erschwert werden kann. Unnötige Verwirbelungen der Gasströmung können dadurch vermieden werden, so dass der Strömungswiderstand gering gehalten ist.
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Vorzugsweise weist der Kanalkörper ein Eingangskanalstück zum Einleiten des Gases und ein Ausgangskanalstück zum Wegleiten des Gases auf, wobei in Strömungsrichtung zwischen dem Eingangskanalstück und dem Ausgangskanalstück eine Drehachse der Schaltklappe verläuft. Durch die mehrteilige, zumindest zweiteilige, Ausgestaltung des Kanalkörpers kann die Schaltklappe bei der Montage leicht zwischen den jeweiligen Kanalstücken in einer hierfür vorgesehenen Aussparung positioniert und insbesondere gelagert werden. Dadurch ergibt sich eine einfache und kostengünstige Geometrie für das Eingangskanalstück und/oder das Ausgangskanalstück sowie eine einfache Montage des Ansaugkanals.
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Besonders bevorzugt ist das Aufnahmevolumen durch das Eingangskanalstück und das Ausgangskanalstück begrenzt. Vorzugsweise ist das Aufnahmevolumen ausschließlich durch das Eingangskanalstück und das Ausgangskanalstück begrenzt. Das Eingangskanalstück und das Ausgangskanalstück können jeweils eine Halbschale ausbilden, die im miteinander verbundenen Zustand des Eingangskanalstücks mit dem Ausgangskanalstück zusammen das Aufnahmevolumen ergeben. Das Eingangskanalstück und das Ausgangskanalstück können beispielsweise über einen Dichtring abgedichtet sein, so dass auch das Aufnahmevolumen abgedichtet ist.
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Insbesondere kommuniziert eine von dem Strömungsvolumen weg weisenden Rückseite der Gegenfahne über einen in dem Kanalkörper, insbesondere ausschließlich in dem Ausgangskanalstück, ausgebildeten Verbindungskanal mit dem Strömungsvolumen stromabwärts zur Windfahne in der aktivierten Stellung der Schaltklappe. Dadurch kann an der Rückseite der Gegenfahne ein sich unmittelbar stromabwärts an einer Rückseite der Windfahne ergebener Druck anliegen, der geringer als der an einer zum Strömungsvolumen weisenden Oberseite der Gegenfahne anliegender Staudruck ist, so dass sich ein entsprechend großes Gegenmoment an der Gegenfahne erzeugen lässt.
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Vorzugsweise verschließt die Windfahne in der deaktivierten Stellung der Schaltklappe den Verbindungskanal. Eine Bypassströmung über das Aufnahmevolumen und den Verbindungskanal kann dadurch vermieden werden, so dass unerwünschte Strömungseffekte, die zu einem erhöhten Strömungswiderstand in der deaktivierten Stellung der Schaltklappe führen könnten, vermieden werden können.
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Besonders bevorzugt liegt die Windfahne in der deaktivierten Stellung der Schaltklappe im Wesentlichen flächig an dem Kanalkörper an. Der Strömungswiderstand der Windfahne in der deaktivierten Stellung der Schaltklappe kann dadurch minimiert werden. Vorzugsweise ist die Windfahne in der deaktivierten Stellung der Schaltklappe in dem Kanalkörper versenkt aufgenommen. Gleichzeitig kann vermieden werden, dass die Gasströmung an der Rückseite der Windfahne angreift und die Windfahne unabsichtlich in eine aktivierte Stellung drückt.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht eines Ansaugkanals mit einer Schaltklappe in einer deaktivierten Stellung,
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2 eine schematische Schnittansicht des Ansaugkanals aus 1 mit einer Schaltklappe in einer aktivierten Stellung,
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3 eine schematische perspektivische Schnittansicht des Ansaugkanals aus 1 und 2 und
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4 eine schematische Schnittansicht des Ansaugkanals aus 2 mit eingezeichneten an der Schaltklappe angreifenden Kräften und Momenten.
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Der in 1 dargestellte Ansaugkanal 10 weist einen aus einem Eingangskanalstück 12 und einem Ausgangskanalstück 14 zusammengesetzten Kanalkörper 16 auf, der ein Strömungsvolumen 18 für eine Gasströmung 20 begrenzt. Zwischen dem Eingangskanalstück 12 und dem Ausgangskanalstück 14 ist eine über eine außerhalb des Strömungsvolumens 18 in dem Kanalkörper 16 angeordnete Schaltwelle 22 drehbar gelagerte Schaltklappe 24 vorgesehen.
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Die Schaltklappe 24 weist eine in der dargestellten deaktivierten Stellung an dem Ausgangskanalstück 14 anliegende Windfahne 26 auf, die in das Strömungsvolumens 18 hinein verschwenkt werden kann. An der Windfahne 26 schließt sich jenseits der Schaltwelle 22 eine Gegenfahne 28 an, die in einem von dem Eingangskanalstück 12 und dem Ausgangskanalstück 14 ausgebildeten Aufnahmevolumen 30 angeordnet ist. Das Eingangskanalstück 12 weist ein mit Perforationen 32, beispielsweise Durchgangsbohrungen, versehenes Kanalwandstück 34 auf, so dass das Aufnahmevolumen 30 und eine zum Aufnahmevolumen 18 weisende Oberseite 36 mit dem stromaufwärts zur Windfahne 26 liegenden Bereich des Strömungsvolumens 18 kommunizieren kann. In der dargestellten deaktivierten Stellung der Schaltklappe 24 können die Perforationen 32 von der Oberseite 36 der Gegenfahne 28 verschlossen sein. Zusätzlich kann das Aufnahmevolumen 30 und eine von dem Aufnahmevolumen 18 weg weisende Rückseite 38 der Gegenfahne 28 über einen ausschließlich in dem Ausgangskanalteil 14 vorgesehenen Verbindungskanal 40 mit einem stromabwärts zur Windfahne 26 liegenden Bereich des Strömungsvolumens 18 kommunizieren. In der dargestellten deaktivierten Stellung der Schaltklappe 24 kann der Verbindungskanal 40 von der Windfahne 26 abgedeckt sein.
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Wie in 2 und 3 dargestellt kann die Schaltklappe 24 von der in 1 dargestellten deaktivierten Stellung in die in 2 dargestellte aktivierte Stellung verschwenkt werden, wobei mehrere aktivierte Stellungen bei verschiedenen Schwenkwinkeln möglich sind. In der aktivierten Stellung der Schaltklappe 24 ist die Gegenfahne 28 von den Perforationen 32 und die Windfahne 26 von dem Verbindungskanal 40 weg bewegt worden. Wie in 4 dargestellt kann dadurch über die Perforationen 32 an einer Oberfläche AG der Oberseite 36 der Gegenfahne 28 ein sich stromaufwärts zur Windfahne 26 einstellender Staudruck po anliegen, während an der Oberfläche AG der Unterseite 38 der Gegenfahne 28 ein sich stromabwärts zur Windfahne 26 einstellender Unterdruck pu anliegt. An der Windfahne 26 liegt ebenfalls der Staudruck po und der Unterdruck pu an jeweils einer Oberfläche AK an. Die Windfahne 26 und die Gegenfahne 28 erzeugen dadurch einander entgegengesetzte Momente, so dass an der Schaltwelle 22 ein entsprechend geringeres resultierendes Moment M angreift, wodurch Bauteilbelastungen der Schaltklappe 24, der Lagerung der Schaltklappe 24 und eines Stellmotors zum Verschwenken der schaltklappe 24 reduziert sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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