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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ansaugtrakt für einen Verbrennungsmotor, sowie ein Kraftfahrzeug.
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Im Stand der Technik ist eine Vielzahl von unterschiedlichen Ausgestaltungen von Ansaugtrakten bekannt. Dabei stellt sich allgemein die Problematik, dass der flüssige oder gasförmige Treibstoff möglichst gut mit einer Ansaugluft im Ansaugtrakt vermengt werden muss, sodass möglichst der gesamte zugeführte Treibstoff verbrannt werden kann. Dies erfordern die immer höher werdenden Zulassungsvoraussetzungen für Verbrennungsmotoren weltweit. Ferner wird auch ein Bauraum bei einem Verbrennungsmotor kontinuierlich kleiner, sodass auch der Ansaugtrakt möglichst kleinbauend ausgelegt werden muss.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Ansaugtrakt für einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist gegenüber dem Bekannten den Vorteil auf, dass mithilfe einer Heizeinheit das eingespritzte Fluid in dem Ansaugtrakt erwärmt und somit besser mit der Ansaugluft vermengt werden kann. Dabei kann insbesondere Kraftstoff, welcher an einem Kanal des Ansaugtrakts anheftet, verdampft und somit besser mit der Ansaugluft vermischt werden. Somit kann vermieden werden, dass nicht verdampfter Kraftstoff in den Brennraum gelangt, was zu einer unsauberen Verbrennung führen kann. Weiterhin kann der erfindungsgemäße Ansaugtrakt aufgrund der Integration der Heizeinheit in den Ansaugtrakt besonders kleinbauend und kostengünstig gefertigt werden.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Ansaugtrakt für einen Verbrennungsmotor einen Injektor aufweist, welcher dazu eingerichtet ist, ein Fluid in den Ansaugtrakt einzubringen, wobei der Injektor das Fluid innerhalb eines vorbestimmten Bereichs einbringt, wobei der Ansaugtrakt eine Heizeinheit aufweist, welche innerhalb des Ansaugtrakts und innerhalb dieses vorbestimmten Bereichs angeordnet ist, wobei die Heizeinheit dazu eingerichtet ist, die Temperatur des eingespritzten Fluids im Bereich zu erhöhen.
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In anderen Worten bringt der Injektor ein Fluid, insbesondere einen flüssigen Kraftstoff, in den Ansaugtrakt ein, insbesondere in einer kegelähnlichen Form. Beim Einbringen kann es sich insbesondere um ein Einspritzen und/oder Einblasen des Fluids bzw. Kraftstoffs handeln Die kegelähnliche Form kann dabei den vorbestimmten Bereich des Injektors bilden, sozusagen einen Sprühbereich des Injektors. Dabei ist der Ansaugtrakt beispielsweise als eine Art Kanal ausgeführt, wobei der Injektor von einer Seite des Kanals das Fluid in den Kanal einbringt. Dabei kann beispielsweise gegenüberliegend vom Injektor in dem vorbestimmten Bereich die Heizeinheit in dem Kanal bzw. in der Kanalwand vorgesehen sein. Das Fluid, welches aus dem Injektor gefördert wird, trifft dann auf die Heizeinheit, welche die Temperatur des Fluids, welches der Injektor eingesprüht hat, erhöhen kann. Flüssiges Fluid kann dadurch sicher verdampfen. Dies kann den Vorteil mit sich bringen, dass die Ausbeute bzw. der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors weiter gesteigert werden kann.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise bringt der Injektor das Fluid innerhalb eines vorbestimmten Bereichs ein, oder innerhalb zumindest zweier vorbestimmter Bereiche ein, wobei bei mehreren Bereichen in jedem Bereich eine Heizeinheit angeordnet ist. Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass abhängig von den Temperaturen in den jeweiligen Bereichen eine jeweilige Heizeinheit unabhängig voneinander geregelt werden kann, um somit eventuelle Temperaturunterschiede in einem Ansaugtrakt ausgleichen zu können. In anderen Worten kann beispielsweise einer der vorbestimmten Bereiche näher an einem anderen Bauteil, wie beispielsweise dem Krümmer des Verbrennungsmotors, positioniert sein als der andere Bereich, sodass ein Wärmeeintrag von anderen Bauteilen in den Ansaugtrakts bei der Steuerung der Heizleistung der Heizeinheit im jeweiligen Bereich berücksichtigt werden kann.
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Weiter bevorzugt weist die Heizeinheit zumindest ein Heizelement und ein Wärmespeicherelement auf. Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass die benötigte Energie zum Verdampfen und/oder Erwärmen des Fluids minimiert werden kann, da die Heizeinheit ein Wärmespeicherelement aufweist, welches die durch das Heizelement generierte Wärme speichert und gleichmäßig verteilt. Beispielsweise kann das Wärmespeicherelement aus einem Material hergestellt sein, welche dazu geeignet sind, eine Wärmeenergie zu speichern und/oder zu verteilen. Ferner kann dabei das Heizelement eine Widerstandsheizung oder ähnliches sein, welche mit Strom oder anderen Energieträgern betreibbar ist.
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Vorzugsweise weist die Heizeinheit eine Regelungseinheit auf, welche dazu eingerichtet ist, eine Solltemperatur zu empfangen, wobei die Heizeinheit dazu eingerichtet ist, eine Ist-Temperatur der Heizeinheit zu bestimmen, wobei die Regelungseinheit dazu eingerichtet ist, eine Heizleistung der Heizeinheit derart zu wählen, dass sich die Ist-Temperatur der Heizeinheit an die Solltemperatur der Heizeinheit zumindest annähert. Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass mithilfe der Regelungseinheit ein Energieverbrauch der Heizeinheit reduziert sowie die Effektivität der Fluidverdampfung mittels der Heizeinheit gesteigert werden kann. Dabei ist die Regelungseinheit dazu eingerichtet, eine Solltemperatur zu empfangen oder aus einem Speicher der Regelungseinheit abzurufen. Ferner kann dabei die Heizeinheit dazu eingerichtet sein, eine Ist-Temperatur der Heizeinheit beispielsweise mittels eines Temperatursensors, wie beispielsweise ein PT-100 oder Ähnliches, zu bestimmen bzw. zu ermitteln. Die Regelungseinheit kann mithilfe der ermittelten Ist-Temperatur der Heizeinheit sowie der empfangenen Solltemperatur der Heizeinheit die Heizleistung der Heizeinheit derart regeln bzw. steuern, dass sich die Temperatur der Heizeinheit an die Solltemperatur der Heizeinheit zumindest annähert bzw. angleicht. In anderen Worten empfängt die Regelungseinheit eine Solltemperatur und steuert die Heizeinheit so, dass diese möglichst genau erreicht wird.
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Weiter bevorzugt ist die Regelungseinheit dazu eingerichtet, ein Startsignal zur Erhöhung der Temperatur der Heizeinheit von einem Steuergerät eines Fahrzeugs zu empfangen und die Temperatur der Heizeinheit daraufhin zu erhöhen. Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass bei einem Start des Verbrennungsmotors die Regelungseinheit ein Startsignal empfängt, wie beispielsweise das Umdrehen eines Zündschlüssels, sodass die Heizeinheit bereits beginnen kann, die Temperatur der Heizeinheit zu erhöhen und somit bereits beim Start des Verbrennungsmotors die Verdampfung des Fluids zu verbessern.
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Vorzugsweise ist die Regelungseinheit dazu eingerichtet, nach dem Empfang des Startsignals ein Bereitschaftssignal an das Steuergerät des Fahrzeugs zurückzumelden, wenn die Ist-Temperatur der Heizeinheit im Wesentlichen gleich der Solltemperatur der Heizeinheit ist. Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass ein Verbrennungsmotor erst gestartet wird, wenn die Heizeinheit ihre Solltemperatur erreicht hat, sodass insbesondere beim Startvorgang entstehende Verbrennungsprodukte auf einem möglichst geringen Niveau gehalten werden können. Mit anderen Worten empfängt die Regelungseinheit das Startsignal von einem Steuergerät des Fahrzeugs, welches beispielsweise das Umdrehen eines Zündschlüssels ist, und gibt den Start des Verbrennungsmotors frei in Form des Bereitschaftssignals, wenn die Solltemperatur im Wesentlichen gleich der Ist-Temperatur der Heizeinheit ist. Im Wesentlichen gleich der Solltemperatur bedeutet in diesem Zusammenhang insbesondere zwischen ± 1% und 20 % Abweichung.
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Vorzugsweise weist die Heizeinheit in einem Übergangsbereich zwischen der Heizeinheit und dem Ansaugtrakt ein Isolierelement auf. Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass die Effektivität der Heizeinheit weiter gesteigert werden kann, da keine Wärme unnötigerweise von der Heizeinheit auf andere Teile des Ansaugtrakts übertragen wird und das Isolierelement die Wärme in der Heizeinheit hält. Das Isolierelement kann insbesondere eine Folie oder ein geeignetes Material sein, welches an das Wärmespeicherelement der Heizeinheit angrenzt.
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Weiter bevorzugt ist die Heizeinheit mittels einer form-, kraft- und/oder stoffflüssigen Verbindung mit dem Ansaugtrakt verbunden. Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass die Heizeinheit einfach aus dem Ansaugtrakt ausgewechselt werden kann. Beispielsweise kann die Heizeinheit mittels einer Schraubenverbindung oder Ähnlichem an dem Ansaugtrakt befestigt werden.
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Weiter bevorzugt weist der Ansaugtrakt zumindest eine Einlasskanalwand auf, wobei die Heizeinheit zumindest einen Teil der Einlasskanalwand ersetzt. Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass keine Wirbel oder Verwirbelungen im Ansaugkanal bzw. in dem Kanal des Ansaugtrakts auftreten, da die Heizeinheit derart in die Einlasskanalwand integriert ist, dass keine Teile der Heizeinheit in den Kanal hineinragen oder Ähnliches.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Antriebseinheit, welche einen Ansaugtrakt, wie voranstehend und nachfolgend beschrieben, aufweist.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen sind:
- 1 eine Schnittansicht eines Ansaugtrakts und eines Teils des Verbrennungsmotors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine Teilschnittansicht des Ansaugtrakts von 1,
- 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Steuerung der Regelungseinheit des Ansaugtrakts von 1,
- 4A eine erste Ansicht eines Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Ansaugtrakt gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 4B eine Seitenansicht des Verbrennungsmotors mit dem erfindungsgemäßen Ansaugtrakt nach 4A.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4B ein Ansaugtrakt 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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1 stellt einen erfindungsgemäßen Ansaugtrakt 1 dar. Der Ansaugtrakt 1 umfasst dabei einen Injektor 2, welcher ein Fluid, insbesondere einen gasförmigen oder flüssigen Kraftstoff in einen vorbestimmten Bereich 4 in den Ansaugtrakt 1 einbringt. Ferner weist dabei der Ansaugtrakt 1 eine Kanalwand 20 auf. In der Kanalwand 20 ist eine Heizeinheit 6 angeordnet. Dabei kann die Heizeinheit 6 einen Teil der Kanalwand 20 ersetzen.
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Der Ansaugtrakt umfasst einen Kanal, welcher mittels eines Ventils 24 verschließbar ist. Das Ventil 24 dichtet dabei den Ansaugtrakt 1 zum Brennraum 31 eines Zylinders 26 ab. Innerhalb des Brennraums ist eine Zündkerze 28 angeordnet, welche dazu eingerichtet ist, im Brennraum befindliches Kraftstoffluftgemisch zu zünden. Ferner ist innerhalb des Brennraums ein Kolben 30 angeordnet, welcher das Fluid im Brennraum komprimiert bzw. frisches Kraftstoffluftgemisch aus dem Ansaugtrakt 1 ansaugt.
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2 zeigt eine Detailansicht der Heizeinheit 6, welche im Ansaugtrakt 1 angeordnet ist. Dabei kann die Heizeinheit 6 ein Heizelement 10 aufweisen, welche beispielsweise als elektrische Widerstandsheizung ausgebildet ist. Darüber hinaus kann die Heizeinheit 6 ein Wärmespeicherelement 12 aufweisen, welches die Wärme, welche das Heizelement 10 generiert, speichert und/oder verteilt. In einem Übergangsbereich 14 zwischen der Heizeinheit 6 und der Einlasskanalwand 20 kann ein Isolierelement 16 der Heizeinheit 6 angeordnet sein. Somit kann ein Wärmestrom von der Heizeinheit 6 an die Einlasskanalwand 20 unterbrochen bzw. reduziert werden. Dabei ist die Heizeinheit 6 derart ausgestaltet, dass sich ein Teil der Kanalwand 20 ausbildet. Dabei ist die Heizeinheit 6 insbesondere derart geformt, dass an dem Übergangsbereich 14 keine Verwirbelungen oder Ähnliches im Ansaugtrakt 1 entstehen.
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Ferner ist die Heizeinheit 6, wie in 2 dargestellt, mittels einer Schraubverbindung 18 mit der Einlasskanalwand 20 verbunden. Somit kann die Heizeinheit 6 mittels der Schraubverbindung 18 einfach bei einem Defekt ausgetauscht werden.
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Ferner kann dabei die Heizeinheit 6 eine Regelungseinheit 22 aufweisen. Die Regelungseinheit 22 kann direkt an der Heizeinheit 6 oder dem Ansaugtrakt 1 angeordnet sein bzw. auch durch ein Steuergerät oder Ähnliches eines Kraftfahrzeugs gebildet werden.
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3 zeigt einen Temperaturverlauf T der Heizeinheit 6 über den Betrieb (Zeit t) der Heizeinheit 6. Bei dem Punkt 32 in der 3 weist die Heizeinheit 6 eine erste Temperatur T1 auf, insbesondere eine Umgebungstemperatur. Ferner erhält die Regelungseinheit 22 im Punkt 32 ein Startsignal zur Erhöhung der Temperatur der Heizeinheit 6, wie beispielsweise ein Umdrehen eines Zündschlüssels. Am Punkt 34 weist die Heizeinheit 6 ihre Soll- bzw. Betriebstemperatur T2 auf, sodass die Regelungseinheit 22 ein Bereitschaftssignal an die Steuereinheit bzw. an das Steuergerät des Fahrzeugs zurückmeldet, sodass zum Zeitpunkt 38 der Start des Verbrennungsmotors eingeleitet werden kann. Im Folgenden wird der Verlauf des Wegs s des Kolbens 30 mit den Punkten 42, 44, 46 und 48 über den Temperaturverlauf der Heizeinheit 6 dargestellt. Dabei wird die Position des Kolbens 30 mithilfe des Wegs s des Kolbens 30 beschrieben. Zum Zeitpunkt 42 befindet sich der Kolben 30 am weitesten entfernt vom Einlassventil 24. Zum Zeitpunkt 42 schließt das Einlassventil 24. Der Zeitpunkt 42 stellt auch den idealen Einspritzzeitpunkt 40 für den Injektor 2 dar. Ab diesem Zeitpunkt 40 nimmt die Temperatur der Heizeinheit 6 ab, da das Fluid mit der Heizeinheit 6 in Kontakt kommt und diesen erwärmt bzw. verdampft. Am Zeitpunkt 44 wird das Kraftstoffgemisch im Brennraum gezündet,. Zum Zeitpunkt 46 wird der Auslass des Zylinders geöffnet. Ab diesem Zeitpunkt nimmt die Temperatur der Heizeinheit 6 wieder zu, da der gesamte Kraftstoff verdampft wurde. Optimalerweise fällt die Solltemperatur der Heizeinheit zeitlich zusammen mit dem Punkt 48, wo sich der Einlass des Brennraums öffnet. Zwischen dem Zeitpunkt 48 und 42 strömt das frische Kraftstoffluftgemisch in den Zylinder, sodass sich über den Zeitraum 50 die Temperatur der Heizeinheit 6 verringert. Anschließend komprimiert der Kolben 30 das Kraftstoffluftgemisch und es findet eine erneute Zündung zum Zeitpunkt 44 statt. Diese Abfolge wiederholt sich kontinuierlich, sodass die Temperatur der Heizeinheit 6 kontinuierlich schwankt bzw. die Regelungseinheit 22 die Temperatur der Heizeinheit 6 an die Solltemperatur an der Heizeinheit 6 anpasst bzw. annähert.
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Die 4A und 4B zeigen einen Ansaugtrakt gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet sind.
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4A zeigt eine Frontansicht des Ansaugtrakts 1. Dabei weist der Ansaugtrakt 1 einen Injektor 2 auf, welcher in einen ersten vorbestimmten Bereich 4 und einen zweiten vorbestimmten Bereich 8 Fluid einbringt. Innerhalb des ersten und des zweiten vorbestimmten Bereichs 4, 8 kann jeweils eine separat ansteuerbare Heizeinheit 6 angeordnet sein.
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4B zeigt eine Seitenansicht des Ansaugtrakts 1, wie er auch in der 4A dargestellt ist. Der Ansaugtrakt 1 weist dabei einen Injektor 2 auf, welcher das Fluid in den Ansaugtrakt einbringt. Dabei spritzt, sprüht oder bläst der Injektor 2 das Fluid insbesondere in den ersten vorbestimmten Bereich 4 und den zweiten vorbestimmten Bereich 8. Wie in der 4B zu sehen ist, kann es auftreten, dass durch eine Wölbung des Ansaugtrakts 1 oder Ähnlichem ein Teil des Fluids an der Wand des Ansaugtrakts 1 anheften bleibt. Das anheftende Fluid kann ohne weiteres mittels der Heizeinheit 6 verdampft werden, sodass der Wirkungsgrad bzw. die Emissionen weiter verbessert werden können.
