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Die Erfindung betrifft eine Einlasskanaleinrichtung zum Zuführen von Brennluft und Brenngas einer Brennkraftmaschine mit einem die Brennluft führenden Einlasskanal, der über ein Einlassventil in einen Brennraum der Brennkraftmaschine mündet, und wobei in den Einlasskanal eine ein Brenngas führende Gasleitung stromaufwärts des Einlassventils mündet.
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Stand der Technik
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Eine derartige Einlasskanaleinrichtung zum Zuführen von Brennluft und Brenngas einer Brennkraftmaschine ist aus der
EP 0 084 175 A1 bekannt. Diese Einlasskanaleinrichtung weist einen als Saugrohr ausgebildeten Einlasskanal auf. Die Brennluft wird gesteuert von einem Einlassventil einem Brennraum der Brennkraftmaschine zugeführt. In das Saugrohr mündet eine Gasleitung ein, durch die das Brenngas in das Saugrohr zur Vermischung mit der Brennluft eingeblasen wird. Das Gemisch aus Brennluft und Brenngas wird in dem Brennraum mittels einer Zündkerze entzündet und bewegt einen Kolben der Brennkraftmaschine zur Erzeugung von Arbeitsleistung. Die Gasleitung weist im Bereich der Mündung in dem Saugrohr eine Verzweigung mit zwei Ästen auf, wobei im Bereich der Mündungen der Äste in dem Saugrohr eine oder mehrere Düsen angeordnet ist/sind. Über die Ausbildung und Anordnung der Düsen ist nichts weiter bekannt. Durch die Düsen wird letztendlich das Brenngas in das Saugrohr eingeblasen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einlasskanaleinrichtung mit einem Einlasskanal und einer in den Einlasskanal einmündenden Gasleitung bereitzustellen, die hinsichtlich einer Gemischbildung von in dem Einlasskanal geführter Brennluft und durch die Gasleitung zugeführtem Brenngas verbessert ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Gasleitung in einem Bereich vor der Mündung in den Einlasskanal zumindest eine Öffnung für einen Austausch von Brennluft und Brenngas aufweist. Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es für eine möglichst vollständige und effektive Verbrennung eines Brenngas-Brennluft-Gemisches in der Brennkraftmaschine bei geringen Abgasemissionen vorteilhaft ist, wenn schon in dem Einlasskanal eine möglichst vollständige und intensive Vermischung der Brennluft mit dem Brenngas erfolgt. Durch die erfindungsgemäße Öffnung der Gasleitung im Bereich vor der Mündung in den Einlasskanal wird ein Austausch von Brennluft und Brenngas erreicht. Dadurch erfolgt eine intensivere Vermischung von Brenngas und Brennluft als dies beim Stand der Technik darstellbar ist. Durch die verbesserte Vermischung der Brennluft mit dem Brenngas wird ein verbessertes Gemisch erzeugt, so dass im Ergebnis eine verbesserte Verbrennung des in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingeleiteten Gemisches aus der Brennluft und dem Brenngas unter gleichzeitiger Verringerung der Abgasemissionen erreicht ist. Dabei kann in allgemeinster Ausgestaltung ein Austausch von Brennluft und Brenngas erfolgen, indem Brennluft in die Gasleitung eintritt und sich mit dem dort strömenden Brenngas vermischt, während umgekehrt auch Brenngas aus der Gasleitung in den umgebenden Einlasskanal austritt, und sich dort mit der strömenden Brennluft vermischt. Dies kann beispielsweise durch unterschiedlich ausgerichtete Öffnungen in der Gasleitung erfolgen.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Öffnung eine Einlassöffnung in das Gasrohr. Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn Brennluft in die Gasleitung eingeführt wird und sich innerhalb der Gasleitung mit dem Brenngas vermischt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Öffnung in einer Erweiterung der Gasleitung angeordnet. Die Erweiterung ist dabei so ausgebildet, dass der freie Strömungsquerschnitt für Brennluft durch den Einlasskanal verengt wird, so dass die Brennluft durch die zumindest eine Öffnung in die Gasleitung hineingedrängt wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Erweiterung kegelförmig ausgebildet. Eine solche kegelförmige Erweiterung der Gasleitung ist konstruktiv und fertigungstechnisch leicht umsetzbar. Dabei ist die Gasleitung in vorteilhafter Ausgestaltung aus einem metallischen Werkstoff oder einem Kunststoffwerkstoff gefertigt. Bei beiden Werkstoffen ist die Einarbeitung einer kegelförmigen Erweiterung in die Gasleitung problemlos umsetzbar.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Öffnung ein Klappenventil auf, das nach innen in die Gasleitung hinein öffnet. Dieses Klappenventil gewährleistet, dass bei allen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine ausschließlich eine Strömung von Brennluft in die Gasleitung hinein erfolgen kann. Eine gegenströmige Durchströmung der Öffnung könnte bei einem Betriebszustand auftreten, bei dem der Gasdruck in der Gasleitung höher ist als der Luftdruck der Brennluft in dem Einlasskanal.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Öffnung ein Kugelventil auf. Auch dieses Kugelventil ist so ausgebildet beziehungsweise angeordnet, dass eine Strömung von Brennluft durch das Kugelventil in die Gasleitung hinein erfolgen kann.
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In Weiterbildung der Erfindung weist die Gasleitung stromabwärts der Öffnung beziehungsweise der kegelförmigen Erweiterung einen Diffusor auf. Durch diesen Diffusor, der auch als Düse für den Austritt des mit Brennluft vorgemischten Gemisches aus Brenngas und Brennluft in den Einlasskanal dient, besteht die Möglichkeit, das Geschwindigkeitsprofil der Strömung in diesem Bereich zu optimieren.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung mündet eine Abgasrückführleitung in die Gasleitung ein. Durch die Abgasrückführleitung wird bei der Verbrennung von Brenngas-Brennluft-Gemisch entstehendes Abgas der Brennkraftmaschine in den Einlasskanal zurückgeführt. Durch das zurückgeführte Abgas werden in erster Linie unerwünschte Abgasemissionen der Brennkraftmaschine reduziert. In einer allgemeinen Ausführungsform kann die Abgasrückführleitung so ausgebildet sein, dass diese mit einem Zweigkanal in die Gasleitung einmündet, während ein weiterer Zweigkanal in den Einlasskanal einmündet. Das Aufteilungsverhältnis der Teilströme kann beispielsweise in Abhängigkeit von Betriebszuständen der brennkraftmaschine einstellbar sein. Das in die Gasleitung eingeleitete Abgas heizt durch den eingebrachten Wärmestrom das Brenngas und bei einer Einleitung stromabwärts der Zumischung eines Teilstroms der Brennluft das (Teil)-Gemisch aus Brennluft und Brenngas auf. Diese Aufheizung hat das Ziel, eine Angleichung der dynamischen Viskositäten von Brennluft und dem Brenngas-Abgas-Gemisch zu erzielen. Die Angleichung der Vikositäten führt zu einer besseren Vermischung mit der Brennluft im oder vor dem Brennraum der Brennkraftmaschine. Die Mischung kann kurz vor dem Brennraum stattfinden oder in einem nachfolgend noch erläuterten Saugrohr erfolgen.
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In einer weiteren Ausgestaltung mündet die Abgasrückführleitung in eine Strömungsverengung des Diffusors ein. Dies ist die bevorzugte Ausgestaltung zur Erlangung beziehungsweise Sicherstellung der zuvor beschriebenen Angleichung der Viskositäten.
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In Weiterbildung der Erfindung weist die Abgasrückführleitung ein Steuerventil auf. Das Steuerventil ist beispielsweise ein Rückschlagventil und verhindert eine Strömung des (Teil)-Gemisches aus Brennluft und Brenngas in den Abgasrückführtrakt. Gleichzeitig oder alternativ kann das Steuerventil aber auch die in die Gasleitung eingespeiste Menge des Abgases festlegen.
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In Ergebnis wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung erreicht, dass die Mischung von Brennluft und Brenngas in zwei Stufen erfolgt. Zunächst wird ein Brennluftmassenteilstrom mit dem Brenngas durch das Einströmen von Brennluft durch die Öffnungen in die Gasleitung vermischt, während dann anschließend diese (Teil)-Mischung ausgangsseitig der Mündung der Gasleitung in den Einlasskanal mit der Restbrennluft gemischt wird. Zudem kann eine Angleichung der Viskositäten durch eingeleitetes Abgas eingestellt werden. Schließlich kann die Austrittsgeschwindigkeit aus der Gasleitung sowie die Konzentrationsverteilung in der Strömung durch den Diffusor oder eine Düsenkombination eingestellt werden.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Einlasskanal in einen Zylinderkopf der Brennkraftmaschine eingelassen. Der Einlasskanal kann aber auch in einem sogenannten Saugrohr angeordnet sein, das mit dem Zylinderkopf verbunden ist, wobei dann der erfindungsgemäße Einlasskanal sich durch das Saugrohr und durch den Zylinderkopf erstreckt. Die Brennkraftmaschine ist bevorzugt als eine mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine ausgebildet. Eine solche mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine weist ein Kurbelgehäuse auf, in dem eine Kurbelwelle drehbar gelagert ist. An der Kurbelwelle ist eine Anzahl von Kolben tragenden Pleueln angelenkt, die in entsprechenden Zylindern bei einer Drehbewegung der Kurbelwelle auf und ab bewegt werden. Dabei wird in den zwischen dem jeweiligen Zylinderkopf und dem jeweiligen Kolben in dem Zylinder gebildeten Brennraum durch den Einlasskanal durch das Einlassventil gesteuert periodisch Brennluft und Brenngas eingeführt. Die Mischung aus Brennluft und Brenngas, die durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung verbessert wird, verbrennt durch Entzündung in dem Brennraum und betreibt somit die Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine kann zum Antrieb eines beliebigen Fahrzeugs, einer Maschine, eines Bootes oder eines sonstigen Geräts ausgelegt sein.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele näher beschrieben sind:
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Es zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung eines Einlassbereichs einer Brennkraftmaschine mit einem in einen Zylinderkopf eingelassenen Einlasskanal, der über ein Einlassventil in einen an den Zylinderkopf angrenzenden Brennraum in einem mit dem Zylinderkopf zusammenwirkenden Zylinder einmündet, wobei in den Einlasskanal eine erfindungsgemäß ausgebildete Gasleitung einmündet,
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2 eine Detailansicht eines Einlasskanals mit einer Gasleitung gemäß 1,
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3 eine Detailansicht ähnlich 2 mit einer anders ausgestalteten Gasleitung,
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4 eine Darstellung einer weiteren Variante einer Gasleitung,
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5 eine Detailansicht einer Öffnung einer Gasleitung mit einem Kugelventil,
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6 eine Detailansicht einer Öffnung einer Gasleitung mit einem Klappenventil, und
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7 eine Darstellung einer weiteren Variante einer Gasleitung, in die eine Abgasrückführleitung einmündet.
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1 zeigt einen Teilschnitt durch einen Einlassbereich 1 einer Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf 2, der auf einem Zylinder 3 der Brennkraftmaschine angeordnet und mit diesem unter Einfügung einer Zylinderkopfdichtung verbunden ist. In dem Zylinder 3 ist zumindest ein einen Kolbenring 5 aufweisender Kolben 4 angeordnet, der über ein Pleuel mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist. Beim Betrieb der Brennkraftmaschine wird der Kolben 4 entlang einer Längsachse 6 periodisch auf und ab bewegt. In den Kolben 4 kann eine Brennraummulde 7 eingelassen sein, die dann zusammen mit einem Zylinderraum 8 oberhalb des Kolbens 4 einen Brennraum bildet. In dem Brennraum verbrennt ein eingebrachtes Gemisch aus Brennluft und Brenngas und bewirkt dabei die Abwärtsbewegung des Kolbens 4 zur Erzeugung von Arbeitsleistung an der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine. Der Zylinderraum 8 ist zur Zuführung von dem Gemisch aus Brennluft und Brenngas gesteuert über ein in dem Zylinderkopf 2 angeordnetes Einlassventil 9 mit einem ebenfalls in dem Zylinderkopf 2 angeordneten Einlasskanal 10 verbindbar. Das Einlassventil 9 wird von einer Nockenwelle direkt oder indirekt betätigt, wobei die Nockenwelle synchron mit der Kurbelwelle dreht. In der dargestellten offenen Stellung des Einlassventils 9 ist der Einlasskanal 10 mit dem Zylinderraum 8 und somit auch der Brennraummulde 7 strömungsverbunden und durch den Einlasskanal 10 entlang einer Strömungsachse 11 zugeführte Brennluft strömt zusammen mit in den Einlasskanal 10 über eine Gasleitung 12 eingeblasenes Brenngas in den Zylinderraum 8 und die Brennraummulde 7. Das Brenngas, das beispielsweise Erdgas oder ein sonstiges brennbares Gas ist, wird vorzugsweise gesteuert von einem Gasventil in die Gasleitung 12 eingebracht. Dabei kann die Gasleitung 12 Bestandteil des Gasventils sein. Das Brenngas bildet mit der Brennluft das brennbare Gemisch, das bei einer durch beispielsweise eine in den Zylinderraum 8 hineinragenden Zündkerze ausgelösten Entzündung verbrennt und den Kolben 4 bei dem dann geschlossenen Einlassventil 9 zur Erzeugung der Drehbewegung der Kurbelwelle entlang der Längsachse 6 nach unten bewegt. Nach der Verbrennung wird der Kolben 4 wieder nach oben bewegt und über ein ebenfalls in dem Zylinderkopf 2 angeordnetes Auslassventil wird das verbrannte Gemisch als Abgas aus dem Zylinderraum 8 und der Brennraummulde 7 ausgeschoben.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist die Gasleitung 12 unter einem Winkel α von angenähert 45° bezogen auf eine Wandung des Einlasskanals 10 durch den Zylinderkopf 2 geführt und weist im Bereich der Mitte des beispielsweise in diesem Bereich zylinderförmig ausgebildeten Einlasskanals 10 einen abgewinkelten Abschnitt 13 auf, der entlang der Mittelachse des Einlasskanals 10 ausgerichtet ist. Die dargestellte Ausgestaltung und Anordnung der Gasleitung 12 in dem Einlasskanal 10 gewährleistet eine nahezu verlustfreie und ungestörte Strömung der Brennluft im Bereich der in den Einlasskanal 10 hineinragenden Gasleistung 12.
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Aus der in 2 dargestellten Detailansicht des Einlasskanals 10 mit dem abgewinkelten Abschnitt 13 der Gasleitung 12 ist ersichtlich, dass die Gasleitung 12 in dem abgewinkelten Abschnitt 13 eine kegelförmige Erweiterung 14 mit einem Erweiterungswinkel β von beispielsweise angenähert 20° aufweist. In diese kegelförmige Erweiterung 14 ist zumindest eine, vorzugsweise aber eine auf dem Umfang der Erweiterung 14 verteilt angeordnete Anzahl von Öffnungen 15 eingelassen. Durch diese Öffnungen 15 strömt eine definierte Menge von Brennluft in die Gasleitung 12 und vermischt sich dort mit dem beispielsweise mit der Machzahl 1 strömenden Brenngas. Im Bereich der Mündung des erweiterten Abschnitts 16 erfolgt dann eine Vermischung der vorgemischten Brennluft mit dem Brenngas mit der Restmenge von Brennluft, die außen entlang dem erweiterten Abschnitt 16 durch den Einlasskanal 10 strömt. Dadurch wird im Ergebnis eine innige Vermischung der Brennluft und des Brenngases schon in diesem Bereich des Einlasskanals 10 bewirkt, so dass letztendlich in dem Brennraum in der Brennraummulde 7 und/oder dem Zylinderraum 8 ein intensiv vermischtes Gemisch aus Brennluft und Brenngas eintritt.
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3 zeigt eine Variante der kegelförmigen Erweiterung 14 gegenüber 2. Bei dieser Variante beträgt der Erweiterungswinkel β im Bereich von circa 60°. Dadurch wird der strömenden Brennluft ein höherer Strömungswiderstand entgegengesetzt, so dass eine erhöhte Menge von Brennluft durch die Öffnungen 15 in die Gasleitung 12 eintritt.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 4 ähnelt dem der 3, wobei hier die Gasleitung 12 in dem erweiterten Abschnitt 16 zwischen der kegelförmigen Erweiterung 14 und der Mündung 17 in dem Einlasskanal 10 einen Diffusor 18 aufweist. Der Diffusor 18 ist durch eine Verengung des erweiterten Abschnitts 16 gebildet und der Diffusor 18 ermöglicht eine Optimierung des Geschwindigkeitsprofils der Strömung sowohl in der Gasleitung als auch der Brennluft außen entlang des erweiterten Abschnitts 16.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 5 zeigt eine Variante einer Öffnung 15. Bei dieser Variante ist in die Öffnung 15 ein Kugelventil 19, bestehend aus einer mit einem Ventilsitz zusammenwirkenden Kugel und einem die Kugel in einer Erweiterung der Öffnung 15 haltenden Klemmring. Das Kugelventil 16 gewährleistet, dass durch die Öffnung 15 nur Brennluft in die Gasleitung 12 hineinströmen kann.
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Eine Variante hierzu zeigt 6, wobei hier ein Klappenventil 20 vorgesehen ist, das an der kegelförmigen Erweiterung 14 im Bereich der Öffnung 15 angeordnet ist. Das Klappenventil 20 weist eine die Öffnung 15 beherrschende Klappe auf, die ebenfalls nur eine Strömung der Brennluft in die Gasleitung 12 hinein ermöglicht.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 7 ähnelt dem der 4, wobei auch hier die Gasleitung 12 in dem erweiterten Abschnitt 16 zwischen der kegelförmigen Erweiterung 14 und der Mündung 17 in dem Einlasskanal 10 einen Diffusor 18 aufweist. Der Diffusor 18 ist durch eine Verengung des erweiterten Abschnitts 16 gebildet und der Diffusor 18 ermöglicht eine Optimierung des Geschwindigkeitsprofils der Strömung sowohl in der Gasleitung als auch der Brennluft außen entlang des erweiterten Abschnitts 16. Zusätzlich mündet in den erweiterten Abschnitt 16 im Bereich einer Strömungsverengung 22 des Diffusors 18 eine Abgasrückführleitung 21 ein, durch die ein Teilstrom des bei der Verbrennung der Brennluft und des Brenngases entstandenen Abgases in die Gasleitung 12 zurückgeführt wird. Das in die Gasleitung 12 eingeleitete Abgas heizt durch den eingebrachten Wärmestrom das in diesem Bereich der Gasleitung 12 strömende (Teil)-Gemisch aus Brennluft und Brenngas auf. Diese Aufheizung hat das Ziel, eine Angleichung der dynamischen Viskositäten von Brennluft und dem Brenngas-Abgas-Gemisch zu erreichen. Die Angleichung der Vikositäten führt zu einer besseren Vermischung mit der Brennluft im oder vor dem Brennraum der Brennkraftmaschine. Insbesondere um zu verhindern, dass eine Rückströmung des (Teil)-Gemisches aus Brennluft und Brenngas in die Abgasrückführleitung erfolgen kann, ist ein beispielsweise als Rückschlagventil ausgebildetes Steuerventil 23 in die Abgasrückführleitung 21 eingebaut. Das Steuerventil 23 kann zusätzlich oder alternativ zu der Funktion als Rückschlagventil die in die Gasleitung 12 eingespeiste Menge des Abgases festlegen.
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Abschließend wird darauf hingewiesen, dass beliebige Einzelmerkmale der Erfindung miteinander und untereinander kombiniert sein können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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