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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Ansauvorrichtung für
Brennkraftmaschinen und insbesondere eine Ansaugvorrichtung mit
einer jeder Brennkammer zugeordneten Impuls-Steuereinheit, um Luft/Gas-Ladeimpulse,
mit Impuls- Steuereinheit in verschiedenen geometrischen Ausführungsformen,
zu erzeugen.
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Mit der forschreitenden Entwicklung
von Brennkraftmaschinen, insbesondere Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge,
findet eine kontinuierliche Verbesserung der hiermit in Verbindung
stehenden Systeme und Vorrichtungen statt. Eines der Hauptziele
der Motorentwicklung im Kraftfahrzeugsbereich ist die Optimierung
des Verbrennungsprozesses bzw. eine Verringerung des Treibstoffverbrauchs,
die mit der Optimierung einhergeht. Eine der relevanten Vorrichtungen
der Verbrennungskraftmaschinen ist die Luft-Sauganlage.
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Bekannt auf dem Gebiet der Luft-Sauganlangen
sind unter anderem Schwingrohr-, Resonanz- und Turbulenz-Sauganlagen, die zu einer
optimierten Luftzufuhr in die Brennkammern von Brennkraftmaschinen
führen.
Ferner sind insbesondere für
V-förmige
Zylinderanordnungen Luftweg-Steuervorrichtungen bekannt, die es
ermöglichen,
die Luftweglänge
der den Brennkammern zugeordneten Saugrohre stufenlos zu steuern.
Weiterhin sind Luft-Sauganlagen
bekannt, die das notwendigen Luftdrosselelement (Drosselklappe)
zum Steuern der der Brennkammer zugeführten Luftmasse nicht in dem
Ansaugplenum der Luft-Sauganlage
integrieren, sondern eine der Zylinderzahl entsprechende Anzahl von
Luftdrosselelementen am Ende des jeweiligen einer Brennkammer zugeordneten
Saugrohrs in der Nähe
des Zylinderkopfs aufweisen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Ansaugvorrichtung bereitzustellen, die es ermöglicht, einen gepulsten bzw.
impulsgeladenen Luftstrom für
die Einleitung in die Brennkammern einer Brennkraftmaschine zu erzeugen.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale
des unabhängigen
Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung in Form von Aus- und Weiterbildungen werden durch
die abhängigen Patentansprüche beschrieben.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform
wird eine Ansaugvorrichtung bereitgestellt, die insbesondere als
Luftansaugvorrichtung für
eine Brennkraftmaschine verwendet werden kann. Die Ansaugvorrichtung
weist ein jeder Brennkammer der Brennkraftmaschine zugeordnetes
Saugrohr auf, wobei dessen eines Ende in einen einer Brennkammer
zugeordneten Lufteinlass mündet
und dessen anderes Ende mit einer Lufteintrittsöffnung eines Ansaug-Plenums
in Verbindung steht. Die Ansaugvorrichtung ist durch je eine Impuls
Schalteinheit in jedem der Saugrohre gekennzeichnet. Die Impuls-Schalteinheiten sind
mittel mindestens einer Ansteuervorrichtung in der Lage, Ladeimpulse
hohen Drucks zu erzeugen, die durch die Lufteinlässe des Zylinderkopfs in die Brennkammern
der Brennkraftmaschine gelangen können, indem die Impuls-Schalteinheiten
für einen Gasdurchtritt
(schnell) geöffnet
und (schnell) geschlossen werden.
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Der Ladeimpulse erzeugende Vorgang
des Öffnens
und anschließenden
Schließens
einer Impuls-Schalteinheit ist durch dessen Zeitdauer charakterisiert,
die im folgenden als Schaltzeit bezeichnet wird. Gemäß einer
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
liegt diese Schaltzeit unterhalb von im wesentlichen zwischen 0,5
Millisekunfen ( ms ) und maximal 5 Millisekunden (ms) und gemäß einer weiteren
anderen Ausführungsform
liegt diese Schaltzeit in einem Zeitbereich im wesentlichen von ca.
0,1 ms bis ca. 10 ms, während
der Kolben- Verbrennungs- Luft- Ansaug- Zeit.
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Die Erzeugung von Ladeimpulsen hohen Drucks
durch die vorstehend beschriebene Impuls-Schalteinheit erfordert eine hohe Dichtigkeit
einer Impuls-Schalteinheit. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
schließt
eine Impuls-Schalteinheit im geschlossenen Zustand derart ab, so
dass die Leckrate einer Impuls-Schalteinheit sehr gering bis nicht vorhanden
ist (die im Bereich von "0,1 m^3/h bis maximal 1,5 m^3/h, liegt).
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform
wird eine Impuls-Schalteinheit mittels eines bzw. einer elektrischen,
magnetischen oder mechanischen betriebenen Aktuators bzw. Ansteuervorrichtung
betätigt.
Die Ansteuerung kann auch auf einer Kombination von elektrischer,
magnetischer oder mechanischer Ansteuerung erfolgen.
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Die Ladeimpulse sind im wesentlichen
durch ihren Druck charakterisiert, insbesondere sind die erzeugten
Ladeimpulse im wesentlichen durch ihren Spitzendruck (Maximaldruck)
charakterisiert. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
liegt der Druck im wesentlichen oberhalb von ungefähr 6 bar,
und gemäß einer
anderen Ausführungsform
liegt der Druck in einem Druckbereich im wesentlichen von ca. 1,5 bar
bis ca. max. 20 bar.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist
die erfindungsgemäße Ansaugvorrichtung
zusätzlich
eine jedem Saugohr zugeordnete stufenlos steuerbare Luftweg-Steuereinheit
auf, um die Gesamtlänge
jedes Saugrohrs in einem konstruktionsbedingt vorbestimmten Bereich
entsprechend der aktuellen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine
einzustellen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist
jedes der Saugrohre zusätzlich
eine Abgasrückführ-Zuführung auf,
die in einem Bereich zwischen der Impuls-Schalteinheit und dem Lufteinlass in
den Zylinderkopf angeordnet ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist
jedes der Saugrohre zusätzlich
ein Drall- und/oder
Tumble-Element auf, das in einem Bereich zwischen der Impuls-Schalteinheit
und dem Lufteinlass in den Zylinderkopf angeordnet ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist
das Ansaug-Plenum ferner ein Abgasrückführ-Ventil und/oder ein Turbolader-Ventil
auf. Das Abgasrückführ-Ventil
dient zur Einleitung eines Teils der Abgase der im Betrieb befindlichen
Brennkraftmaschine, um die Gesamtemission an Abgasen zu reduzieren.
Das Turbolader-Ventil dient analog zur Einleitung von unter Druck
stehendem Gas, insbesondere Luft und/oder Abgase, das mittels eines
Turboladers (z.B. eines Abgasturboladers) verdichtet wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform
wird das Ansaug-Plenum über
eine Luftzuführung
mittels eines Ansaug-Luftverdichters mit unter Druck stehendem Gas
gespeist, das sich vorzugsweise aus Luft oder einer Mischung aus
Luft und Abgasen zusammensetzt. Gemäß einer weiteren anderen Ausführungsform
schließt
der Ansaug-Luftverdichter einen Luftfilter ein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist
die Luftzuführung
zu dem Ansaug-Plenum eine kombinierte Gasmassen- und Gasdruck-Messeinheit auf.
Die kombinierte Gasmassen- und
Gasdruck-Messeinheit ist in der Lage sowohl die durchströmende Gasmasse,
hier insbesondere Luft oder eine Mischung aus Luft und Abgasen,
und den Druck dieses durchströmenden
Gases zu bestimmen. Die erhaltenen Messgrößen dienen der Steuerung bzw. Regelung
der Brennkraftmaschine bzw. der Impuls-Schalteinheiten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform
ist der Druck von durch eine Impuls-Schalteinheit erzeugten Ladeimpulsen
abhängig
von einem Druck in dem Ansaugplenum, von einem Druck eines mittels Turbo-Aufladung
verdichteten und zugeführten
Gases und/oder der Schaltzeit der Impuls-Schalteinheit.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung
werden unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen anhand von
schematischen Darstellungen von Ausführungsbeispielen beschrieben,
in denen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Ansaugvorrichtung für eine Brennkraftmaschine
in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
zeigt;
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2a eine
schematische Darstellung eines Ausschnitts aus einer Ansaugvorrichtung
für eine Brennkraftmaschine
in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
zeigt;
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2b eine
weitere schematische Darstellung eines Ausschnitts aus in einer
Ansaugvorrichtung für
eine Brennkraftmaschine in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt;
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2c eine
weitere schematische Darstellung eines Ausschnitts aus einer Ansaugvorrichtung für eine Brennkraftmaschine
in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
zeigt;
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3a eine
Schnittansicht einer Luftweg-Steuereinheit in einer ersten Winkelposition
in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
zeigt;
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3b eine
Schnittansicht einer Luftweg-Steuereinheit in einer zweiten Winkelposition
in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
zeigt;
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3c eine
Schnittansicht einer Luftweg-Steuereinheit in einer dritten Winkelposition
in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
zeigt;
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3d eine
perspektivische Ansicht einer inneren Luft-/Gas-Führvorrichtung
aus 3a bis 3c in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
zeigt; und
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4a eine
schematische perspektivische Ansicht einer Kugeldrossel-Impuls-Schalteinheit
in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
zeigt.
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4b eine
schematische perspektivische Ansicht einer Kugelsegment-Impuls-Schalteinheit in einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform
zeigt.
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Gleiche und ähnliche Vorrichtungen, Einheiten,
Elemente etc. werden in den Zeichnungen und in der Beschreibung
mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Ansaugvorrichtung gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung. Die Darstellung lässt
sich in drei Teilabschnitte gliedern, einen Gaszuführungs-Abschnitt,
einen Plenum-Abschnitt und einen Saugrohr-Abschnitt. Hierbei ist
zu bemerken, dass jeder Brennkammer ein eigener Saugrohr-Abschnitt
zugeordnet ist, wobei der Plenum-Abschnitt für die Gaszuführung zu
den jeweiligen den Brennkammern zugeordneten Saugrohr-Abschnitten
dient.
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Der erste Teilabschnitt, der Gaszuführungs-Abschnitt,
umfasst den Ansaug-Luftverdichter 10, einen Luftfilter 11,
hier mit einem integrierten Resonator 11', sowie eine kombinierte
Luftmassen- und Gasdruck-Messeinheit 12, die über eine
Luftzuführung 15 mit
dem Ansaug-Plenum 20 verbunden
sind.
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Gemäß einer Ausführungsform
muss die Verbrennungsluft auf einem bestimmten Arbeitsdruck gebracht
werden, damit die Impuls-Schalteinheit 32 durch Öffnen und
Schließen
einen Ladeimpuls erzeugt. Die von außen angesaugten Luftmassen
werden hierzu mittels des Ansaug-Luftverdichters 10 auf den
gewünschten
Arbeitsdruck verdichtet. Vorzugsweise wird hierfür als Verdichtereinheit ein
Zahnrad- oder Duozentrik-System vorteilhafterweise im Bereich des
Luftfilters 11 eingesetzt. Der Ansaug-Luftverdichter 10 selbst
kann entweder vor oder nach dem Luftfilter angeordnet sein. Die
Abbildung zeigt einen dem Ansaug-Luftverdichter 10 nachgeordneten
Luftfilter 11. Eine dem Luftfilter 11 nachgeschaltete
Verdichtereinheit (diese Anordnung ist in l nicht
dargestellt) bieten den Vorteil eines geringeren Druckverlusts als
in dem Fall eines dem Ansaug-Luftverdichter 10 nachgeschalteten
Luftfilters 11 (in 1 dargestellt).
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Die Verdichtung der Luft führt zu deren
hohen Beschleunigung und resultiert in einer hohen Luftströmungsgeschwindigkeit.
Strömende
Luft hoher Geschwindigkeit führt
insbesondere an verschiedenen Strömungsquerschnitten, Übergängen, Vorsprüngen der
Luftführungskanäle und der
gleichen unter anderem zu Turbulenzen und Strömungsabrissen, aufgrund derer
Luftvolumen breitbandig angeregt. Eine entsprechende Geräuschentwicklung
ist die Folge, aufgrund derer es zu unannehmbaren Geräuschwahrnehmungen
der Passagiere in dem Fahrzeuginnenraum kommen kann. Akustische
Resonator- und Dämpfungselemente
in der Luftzuführung 15 sorgen
für eine
verbesserte Akustik der Brennkraftmaschine im Betrieb. Entsprechend 1 und gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung weist der abgebildete Luftfilter 11 hierfür einen
integrierten Resonator 11' auf.
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Ansaugvorrichtungen vom Stand der
Technik weisen bisher Luftmassen-Messeinheiten auf, deren Signale
für das
Motormanagement benötigt
werden. Auf der Erfindung aufbauende Ansaugvorrichtungen benötigen neben
der Luftmassen-Messeinheit eine Gasdruck-Messeinheit. Vorteilhafterweise wird
eine kombinierte Luftmassen- und Gasdruck-Messeinheit 12, wie sie in 1 dargestellt ist, eingesetzt,
die es ermöglicht,
neben der Luftmasse auch den Ladedruck zu bestimmen, der für die Abstimmung
des Druckes der durch die Impuls-Schalteinheit 32 erzeugten
Gas-Ladeimpulse bzw. der als Kenngröße für die Ansteuerung (32.2)
der Impuls-Schalteinheit 32 benötigt wird.
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Der zweite Teilabschnitt, der Plenum-Abschnitt,
umfasst das Ansaug-Plenum 20, das mittels der Luftzuführung 15 mit
Luft/Gas versorgt wird, die unter einem bestimmten Arbeitsdruck
steht und von dem aus die den jeweiligen Brennkammern (Zylindern)
der Brennkraftmaschine zugeordneten Saugrohre mit Luft/Gas gespeist
werden. Die Darstellung zeigt exemplarisch ein Saugrohr 30,
das über
die Lufteintrittsöffnung 31 mit
Luft/Gas aus dem Pansaug-Plenum gespeist wird und das durch den
Lufteinlass 41 in den Zylinderkopf 40 der Brennkraftmaschine
mündet.
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In der 1 ist
im Bereich der Luftzuführung 15 ein
Drosselelement 13 dargestellt, wie es aus dem Stand der
Technik bekannt ist. Dieses Drosselelement, vorzugsweise in einem
Drosselelement-Stutzen angeordnet, ist nicht zwingender (optionaler)
Bestandteil der Erfindung.
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Das Ansaug-Plenum kann weitere in
der 1 gezeigte Merkmale
aufweisen. Zum Beispiel ist es möglich,
in dem Ansaug-Plenum ein Resonanzvolumen 21 und/oder ein
oder mehrere Resonanzelemente 22 (Resonanzklappe) einzubringen.
Diese dienen analog zu der vorstehenden Beschreibung der Dämpfung unerwünschter
durch die Luftströmungsdynamik
verursachter Geräuschentwicklungen.
Weiterhin kann in das Ansaug-Plenum 20 zusätzliche
Gaszuführungen
aufweisen. So ist es möglich, über ein
Abgasrückführ-Ventil 23,
das in dem Ansaug-Plenum 20 eingebracht ist, einen Teil
des Abgasstroms zurückzuführen, was
sich insbesondere zur Reduzierung der Abgasemission von Brennkraftmaschinen
als effektiv erwiesen hat. Ebenso kann eine Gasstrom verursacht
durch eine Turbolader-Aufladung über
ein in dem Ansaug-Plenum 20 angeordnetes Turbolader-Ventil 24 in
das Ansaug-Plenum 20 eingebracht werden. Der Abgasstrom
bzw. der Gasstrom der Turbo-Aufladung müssen jedoch nicht in das Ansaug-Plenum
münden, sondern
können
auch einer oder verschiedenen anderen Orten in die Ansaugvorrichtung
eingeleitet werden.
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Der dritte Teilabschnitt, der Saugrohr-Abschnitt,
umfasst das Saugrohr 30, das durch die Lufteintrittsöffnung 31 mit
Luft/Gas aus dem Ansaug-Plenum 20 gespeist wird, und das
in den Lufteinlass 41 des Zylinderkopfs 40 mündet. Wie
vorstehend beschrieben, ist jeder Brennkammer der Brennkraftmaschine
jeweils ein Saugrohr 30 und entsprechend ein Lufteinlass 41 in
dem Zylinderkopf 40 zugeordnet.
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Das Saugrohr integriert die Impuls-Schalteinheit 32.
Diese Impuls-Schalteinheit 32 dient erfindungsgemäß einerseits
als Luftdrosselelement als auch als Impuls-Erzeugungseinheit, um
Luftladeimpuls zu erzeugen. In der Funktion als Luftdrosselelement
kann die Impuls-Schalteinheit 32 gemäß einer Ausführungsform
ein dem Ansaug-Plenum zugeordnetes Drosselelement (zum Beispiel
Drosselelement 13) obsolet machen. Die Impuls-Schalteinheit 32 ist erfindungsgemäß zwischen
Ansaug-Plenum 20 und Zylinderkopf 40 angeordnet
und kann in Form einer oder mehrerer Klappen, einer Schaltwalze,
eines Schaltzylinders, einer Schaltkugel oder irgendeines anderen
Luftdrosselelements realisiert sein. Entscheidend ist jedoch, dass
die Impuls-Schalteinheit 32 in der Lage ist Luftladeimpulse
zu erzeugen.
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Hierzu muss die Impuls-Schalteinheit 32 eine
Reihe von grundsätzlichen
Anforderungen erfüllen,
um in der Lage zu sein, erfindungsgemäß zu arbeiten. So muss die
Schaltzeit, das heißt
die Zeitspanne zwischen Öffnen
und Schließen
der Impuls-Schalteinheit 32, extrem kurz sein, vorteilhafter- Weise
in einem Bereich zwischen ca. 0,5 ms und maximal ca. 2,5 ms. Die
extrem kurze Schaltzeit ermöglicht
es, Luftladeinpulse mit einem Druck im Bereich von ca. 1,5 bar bis
ca. 20 bar zu erzeugen. Der Druck der Luftladeinpulse anhängt sowohl
von der Schaltzeit als auch im weiteren von dem Gesamtdruck-Niveau
der Luft/Gas in dem Ansaug-Plenum 20 ab.
Dieses Gesamtdruck-Niveau ergibt sich sowohl aus der Druckaufladung
durch den Ansaug-Luftverdichter 10 als auch aus einer eventuellen
Zuführung
von einem durch einen Turbolader verdichteten Gasstrom (z.B. mittels
des Turbolader-Ventils 24) und aus einer eventuellen Zuführung eines
Abgasstroms (z.B. mittels des Abgasrückführ-Ventils 23). An
die Dichtigkeit der Impuls-Schalteinheit 32 sind hohe Anforderungen
zu stellen, so dass die Leckrate gering ist, d.h. dass nahezu keine
Leckrate vorliegt. Dies kann durch spezielle Abdichtungen und/oder
Dämpfer
realisiert werden. Ferner ist in Anbetracht der extrem kurzen Schaltzeit
die bewegte Masse möglichst
gering zu halten, da diese bei sowohl dem Öffnungs-Vorgang als auch dem Schließ-Vorgang
beschleunigt und abgebremst werden muss. Es ist außerdem zu
Berücksichtigen,
dass reproduzierbare Öffnungs-
als auch Schließ-Vorgänge bei
einer geringen bewegten Masse einfacher sicherzustellen sind. Damit
keine parasitären
Effekte auftreten, die schlimmstenfalls zu einer Druckverminderung
der Luftladeinpulse führen, ist
eine ausreichende Steifigkeit bzw. Trageverhalten gegen Verformungen
verursacht durch den Luftstrom zu gewährleisten. Da die Erzeugung
der Luftladeinpulse synchron mit der Aufladung der Brennkammer der
Brennkraftmaschine mit dem zu zündenden Luft/Treibstoff-Gemisch
erfolgt, ist eine Lebensdauer von mehreren Millionen Schaltzyklen,
zum Beispiel durch eine ausreichend starke Dämpfung der Schaltvorgänge sicherzustellen.
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Vorteilhafterweise wird die Impuls-Schalteinheit 32 in
Form eines Schaltkugel-Elements bzw. Schaltkugelsegment-Elements
realisiert. Diese Ausführungen
weisen eine Reihe von maßgeblichen
Vorteilen auf. So wird der Luft/Gas-Strom durch diese Ausführungen
der Impuls-Schalteinheit 32 nicht durch eine Welle oder
andere/vergleichbare andere Elemente gestört; eine Störung des Luft/Gas-Stroms kann
empfindlich die Ausbildung von Luftladeimpulsen behindern (verhindern)
oder stören.
Außerdem kann
die Winkelstellung dieser Ausführungen
der Impuls-Schalteinheit 32, d.h. das Öffnen und Schließen der
Impuls-Schalteinheit 32,
durch eine mechanische, magnetische, elektrische oder einer Kombination
daraus von außen
zuverlässig,
schnell, reproduzierbar und einfach eingestellt werden.
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Das in 1 dargestellte
Saugrohr 30 weist zusätzlich
eine Resonanz-Steuereinheit 33, eine Abgasrückführ-Zuführung 34 und
ein Drall und/oder Tumble- Element 35 auf. Die Resonanz-Steuereinheit 33 dient
analog zu den vorbeschriebenen Resonanzelementen (integrierter Resonator 11',
Resonanzvolumen 21 und/oder Resonanzelement 22)
der Dämpfung
unerwünschter
durch die Luftströmungsdynamik
verursachter Geräuschentwicklungen.
Als Resonanz-Steuereinheit 33 kann zum Beispiel ein drehbares
Stellelement zum steuerbaren Anwählen einer
angepassten Luftdurchström-Querschnittfläche sein.
Statt der Rückführung eines
Teils des Abgasstroms in das Ansaug-Plenum 20 kann ein
entsprechender Teil des Abgasstroms direkt in die den Brennkammern
zugeordneten Saugrohre erfolgen. Hier vorzugsweise in dem Bereich
zwischen Impuls-Schalteinheit 32 und Lufteinlass 41 des
Zylinderkopfs 40. Das Drall- und/oder Tumble-Element ist in
der Nähe
des Lufteinlasses 41 bzw. vorzugsweise direkt an dem Lufteinlass 41 angeordnet
und kann, wenn gewünscht
und/oder erforderlich, der in die Brennkammer einfließenden Luft/Gas-Strom
eine vorteilhafte Strömungsform-Ausbildung,
d.h. Drall oder Tumble, geben, die zu einer verbesserten Luft/Treibstoff-Durchmischung
führt.
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Der in 1 gezeigte
Abschnitt 100 umfasst das Plenum 20 inklusive
des möglichen
Drosselelements 13 und einen Teilabschnitt des dargestellten Saugrohrs
inklusive Impuls-Schalteinheit 32.
Für diesen
Abschnitt 100 sind in den folgenden Figuren weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen
abgebildet.
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2a bis 2c zeigen schematische Darstellungen
des Abschnitts 100 der in 1 dargestellten Ansaugvorrichtung
in weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen.
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2a zeigt
ein Ansaug-Plenum 20, das eine stufenlos steuerbare Luftweg-Steuereinheit 50 (in
einer schematischen Darstellung) aufweist. Das Ansaug-Plenum 20 wird über die
Luftzuführung 15 von
dem Ansaug-Luftverdichter 10 mit unter Druck stehender
Luft versorgt. Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung und wie vorstehend erwähnt, weist das in 2a dargestellte Ansaug-Plenum 20 kein
ihm zugeordnetes Drosselelement 13 auf, dessen Fehlen durch
Bezugszeichen 13' illustriert ist. Die stufenlos steuerbare
Luftweg-Steuereinheit 50 ermöglicht es,
die Gesamt-Saugrohrlänge
in einem vorbestimmten Bereich stufenlos zu wählen, um eine möglichst
optimale Anpassung der Gesamt-Saugrohrlänge an die Last und Drehzahl
der Brennkraftmaschine bereitzustellen. Ausführungsformen einer Luftweg-Steuereinheit 50 sind
in den nachstehend beschriebenen 3a bis 3d illustriert.
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Die stufenlos steuerbare Luftweg-Steuereinheit 50 kann
des weiteren eine oder mehrere Steuerscheiben und/oder weitere Steuerelemente
bzw. Einheiten aufweisen bzw. integrieren, die eine Taktung der
Luftladeinpulse regeln, steuern oder separat ansteuerbar machen.
So kann zum Beispiel der Lust/Gas-Strom durch eine Unterbrecherscheibe schon
vorgetaktet werden bzw. in seiner Strömgeschwindigkeit moduliert
werden.
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Die Luft/Gas des Ansaug-Plenums 20 wird über die
Lufteintrittsöffnung 31 in
das Saugrohr 30 (siehe 1)
eingeleitet, das eine Impuls-Schalteinheit 32 aufweist.
Die Impuls-Schalteinheit 32 ist
in dieser Ausführungsform
schematisch als eine Kugelsegment-Impuls-Schalteinheit 32' dargestellt.
Die externe Ansteuervorrichtung 32" ist als ein um einen Winkel drehbarer
Hebel dargestellt. Die Luft/Gas wird ferner durch das Saurohr 30 zu
dem Lufteinlass 41 in dem Zylinderkopf 40 geführt.
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Der dargestellte Teilbereich 30' des
Saugohrs 30 dient in dieser Ausführungsform als Resonanz-Aufladungsbereich 30 ;
um die in ihm befindliche Luft in Schwingung zu versetzen. Dies
geschieht hierbei zusätzlich
zu der Erzeugung der Luftladeinpulse durch die Kugelsegment-Impuls-Schalteinheit 32'.
Ein Abschnitt des Luftkanals der stufenlos steuerbaren Luftweg-Steuereinheit 50 kann
Teil des gesamten Resonanz-Aufladungsbereichs sein (nicht in 2a gezeigt).
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2b zeigt
ein Ansaug-Plenum 20, das über die Luftzuführung 15 von
dem Ansaug-Luftverdichter 10 mit
unter Druck stehender Luft versorgt wird. Gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung und wie vorstehend erwähnt, weist das in 2b dargestellte Ansaug-Plenum 20 eine
ihm zugeordnete Drosselklappe 13" auf.
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Die Luft/Gas des Ansaug-Plenums 20 wird über die
Lufteintrittsöffnung 31 in
das Saugrohr 30 (siehe 1)
eingeleitet, das eine Kugelsegment-Impuls-Schalteinheit 32' aufweist.
Die externe Ansteuervorrichtung 32" ist als ein um einen
Winkel drehbarer Hebel dargestellt. Die Luft/Gas wird ferner durch das
Saurohr 30 zu dem Lufteinlass 41 in dem Zylinderkopf 40 geführt.
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Der dargestellte Teilbereich 30" des
Saugrohrs 30 dient in dieser Ausführungsform als Resonanz-Aufladungsbereich 30",
um die in ihm befindliche Luft in Schwingung zu versetzen. Dies
geschieht hierbei zusätzlich
zu der Erzeugung der Luftladeinpulse durch die Kugelsegment-Impuls-Schalteinheit 32'.
Der Resonanz-Aufladungsbereich 30" erstreckt sich in dieser
Ausführungsform
von der Drosselklappe 13" bis zu der Kugelsegment-Impuls-Schalteinheit 32'.
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2c zeigt
ein Ansaug-Plenum 20, das über die Luftzuführung 15 von
dem Ansaug-Luftverdichter 10 mit
unter Druck stehender Luft versorgt wird. Gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung und wie vorstehend erwähnt, weist das in 2c dargestellte Ansaug-Plenum 20 ein
ihm zugeordnetes Kugel-Drosselelement 13"' auf, das analog oder ähnlich zu
der Kugelsegment-Impuls-Schalteinheit 32' ausgeführt sein
kann.
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Die Luft/Gas des Ansaug-Plenums 20 wird über die
Lufteintrittsöffnung 31 in
das Saugrohr 30 (siehe 1)
eingeleitet, das eine Kugelsegment-Impuls-Schalteinheit 32' aufweist.
Die externe Ansteuervorrichtung 32" ist als ein um einen
Winkel drehbarer Hebel dargestellt. Die Luft/Gas wird ferner durch das
Saurohr 30 zu dem Lufteinlass 41 in dem Zylinderkopf 40 geführt.
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Der dargestellte Teilbereich 30"'
des Saugohrs 30 dient in dieser Ausführungsform als Resonanz-Aufladungsbereich 30"',
um die in ihm befindliche Luft in Schwingung zu versetzen. Dies
geschieht hierbei zusätzlich
zu der Erzeugung. der Luftladeinpulse durch die Kugelsegment-Impuls-Schalteinheit 32'.
Der Resonanz-Aufladungsbereich 30" erstreckt sich in dieser
Ausführungsform
von dem Kugel-Drosselelement 13"' bis zu der Kugelsegment-Impuls-Schalteinheit 32'.
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3a bis 3c zeigen Längs-Schnittansichten
einer Luftweg-Steuereinheit 50 in drei unterschiedlichen
Winkelposition, während 3d eine perspektivische
Ansicht einer inneren Luft-/Gas-Führvorrichtung der in 3a bis 3c dargestellten Luftweg-Steuereinheit
zeigt.
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In den 3a bis 3c ist das Ansaug-Plenum 20 zu
erkennen, von dem aus Luft/Gas über
eine Lufteinstrittsöffnung 31 in
eine Tulpe 54, eine Übergangsöffnung 55 der
Tulpe 54 und weiter über
einen Mündungskanal 52 und
dessen eine Mündungsöffnung 52' in
das in 1 dargestellte
hieran anschließende
Saugrohr 30 geführt
wird. Eine innere Wandung 57 umschließt das innenliegende Ansaug-Plenum 20 und
die Tulpe 54 wird über
zusätzliche
an die innere Wandung 57 anschließende Wandungen gebildet.
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Ferner ist in 3a zu erkennen, dass sich ein Durchflussquerschnitt
der Tulpe 54 ausgehend von dem innenliegenden Ansaug-Plenum 20 in
Richtung auf die Mündungsöffnung 52',
die den Übergang zum
Saugrohr 30 darstellt, für den Luft/Gas-Strom verringert.
Dies ist durch die schematisch dargestellten Tulpenquerschnitte 60, 61 und 62 in
der 3a verdeutlicht
und die Tulpe 54 kann als trompetenartig bezeichnet werden.
Die Verjüngung
der Tulpe 54 in Richtung auf das Saugrohr 30 und
somit in Richtung auf den Lufteinlass 41 des Zylinderkopfs 40 führt zu einer
Beschleunigung des Luft/Gas-Stroms.
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Die innere Wandung 57 als
auch die äußere Wandung 58 zeigen über den
größten Teil
ihrer Umfänge
eine kreisförmige
Kontur mit jeweils im wesentlichen konstanten Radien. Die innere
Wandung 57 als auch die äußere Wandung 58 definieren
einen Ringkanal 56 mit einem im wesentlichen konstanten Querschnitt,
der im wesentlichem einem Querschnitt des Mündungskanals 52 bzw.
der Mündungsöffnung 52' entspricht.
Weitere Ausführungsformen
können einen
im Vergleich mit dem Querschnitt des Ringkanals 56 größeren oder
kleineren Querschnitt des Mündungskanals 52 bzw.
der Mündungsöffnung 52' aufweisen.
Der Querschnittsübergang,
vorzugsweise ein kontinuierlicher Querschnittsübergang, wird hierbei durch
eine an die äußere Wandung 58 anschließenden und
an der inneren Wandung 57 abdichtenden Wandung des Mündungskanals 52 erreicht.
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Die von der inneren Wandung 57 und
der Tulpe 54 gebildete, um eine Achse 51 drehbare
und das in den dargestellten Längs-Schnittansichten
abgebildete Ansaug-Plenum 20 umfassende Vorrichtung wird
im folgenden als innere Luft-/Gas-Führvorrichtung bezeichnet. Die
innere Luft-/Gas-Führvorrichtung
ist mittels der Achse 51 um einen Drehwinkel 53 drehbar
gelagert. 3a zeigt den
kleinst möglichen
Drehwinkel 53, während
die 3b und 3c die Luftwegsteuereinheit 50 in
Winkelstellung mit jeweils größerem Drehwinkel
zeigen. Die in 3a gezeigte
in einer Winkelstellung mit dem kleinst möglichen Drehwinkel 53 aufweisenden
Luftwegsteuereinheit 50 stellt den kürzest einstellbare Luftweglänge des
Ringkanals 56 der Luftwegsteuereinheit 50 dar. In 3a strömt entsprechend der vorstehend
erwähnten
Winkelstellung Luft/Gas aus dem Ansaug-Plenum 20 über die
Lufteinstrittsöffnung 31 in die
Tulpe 54, die Übergangsöffnung 55 der
Tulpe 54, und direkt weiter über den Mündungskanal 52 und dessen
Mündungsöffnung 52' in
das in 1 dargestellte
hieran anschließende
Saugrohr 30. In Winkelstellungen mit zunehmend größerem Drehwinkel 53 verlängert sich
die einstellbare Luftweglänge
des Ringkanals 56 bis zu einer maximalen Luftweglänge des
Ringkanals 56 hin, die einem maximalen Drehwinkel 53 entspricht.
Somit strömt
entsprechend der vorstehend erwähnten
Winkelstellungen in 3b und 3c Luft/Gas aus dem Ansaug-Plenum 20 über die
Lufteinstrittsöffnung 31 in
die Tulpe 54, die Übergangsöffnung 55 der
Tulpe 54 in den Ringkanal 56 und über den
Mündungskanal 52 und
dessen Mündungsöffnung 52' in
das in 1 dargestellte
hieran anschließende
Saugrohr 30, wobei die Länge des Ringkanals 56 in 3c größer ist als dessen Länge in 3b.
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Eine Dichtungsvorrichtung 64 sorgt
vorzugsweise dafür,
dass die Tulpe 54 gegen die äußere Wandung 58 gegen
Luft-Gas-Austritt in den "toten" Bereich des Ringkanals 56 gedichtet
ist, Während eine
Dichtungsvorrichtung 65 dafür sorgt, dass der Mündungskanal
gegen die innere Wandung gedichtet ist und hierdurch auch Luft-/Gas-Austritt
in den "toten" Bereich des Ringkanals 56 vermieden wird. Die
Dichtungsvorrichtungen 64 und 65 müssen derart
ausgelegt sein, dass sie einen nicht zu großen Widerstand gegen die Drehung
der inneren Luft-/Gas-Führvorrichtung
verursachen, aber dennoch eine ausreichende Dichtigkeit gewährleisten.
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3d zeigt
eine perspektivische Ansicht der inneren Luft-/Gas-Führvorrichtung
der in 3a bis 3c dargestellten Luftweg-Steuereinheit.
In der perspektivischen Darstellung ist die innere Wandung 57 in
einer wannenartigen Ausgestaltung zu erkennen, die in Verbindung
mit der äußeren Wandung
den Ringkanal 56 bildet. Die wannenartige Ausbildung ist eine
mögliche
Ausführungsform,
die zu einer im wesentlichen kreisförmigen, elliptischen oder halbkreisförmigen bzw.
halbelliptischen Querschnittskontur des Ringkanals 56 führt. Die
Querschnittskontur des Ringkanals 56 kann andere Formen
(zum Beispiel rechteckförmig,
dreieckförmig
oder der gleichen) aufweisen, wobei die dargestellte innere Wandung 57 dann ein
anderes der Querschnittskontur entsprechendes Ausgestaltungsprofil
aufweiset. Die Übergangsöffnung 55 der
inneren Luft-/Gas-Führvorrichtung
bzw. der Tulpe 54 weist einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt
entsprechend einer kreisförmigen
Querschnittskontur des Ringkanals 56 auf. Der Querschnitt
kann ebenfalls entsprechend elliptischen, halbkreisförmigen bzw.
halbelliptischen, rechteckförmig
oder dreieckförmig
und der gleichen ausgebildet sein.
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Ferner ist der Lageraugenausschnitt 59 zu erkennen,
der die Achse 51 aufnimmt, um die inneren Luft-/Gas-Führvorrichtung
in eine gewünschte
Winkelstellung zu drehen. Ausgehend von der Umfassung des Lageraugenausschnitts 59 verläuft ein
gegen das Ansaug-Plenum 20 abschließender Wandungsabschnitt der
Tulpe 54 in Richtung auf die innere Wandung 57.
Der Wandungsabschnitt der Tulpe 54 weist in einer den 3a bis 3c entsprechenden Längs-Schnittansicht einen sich kontinuierlich
vergrößernden
Radius auf, der in Kombination mit dem gegenüber liegenden Wandungsabschnitt
der Tulpe 54 entsprechend die vorstehend beschriebene Verjüngung der
Tulpe 54 festlegt. Dies ist ebenfalls in den 3a bis 3c zu erkennen. Die Lufteintrittsöffnung 31 der
Tulpe 54 zeigt eine in der Querschnittkontur im wesentlichen
rechteckförmige
Ausgestaltung aus während
wie vorstehend erwähnt
die Übergangsöffnung 55 einen
im wesentlichen kreisförmigen
Querschnitt aufweist.
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4a bzw. 4b zeigen schematische perspektivische
Ansichten einer Kugel- bzw. Kugelsegment-Impuls-Schalteinheit. Kugelhähne finden für die Durchfluss-Steuerung
bzw. Regelung von gasförmigen
bzw. flüssigen
Medien Anwendung und sind bekannt. Die hier dargestellten Kugel-
bzw. Kugelsegment-Impuls-Schalteinheiten basieren auf einer den
speziellen Anforderungen angepassten Kugel bzw. Kugelsegment als
Durchfluss-Steuerelement,
die zudem Auslegungs-, fertigungstechnische sowie Pack-Vorteile
aufweisen.
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Im allgemeinen wird für die Druckfluss-Steuerung
bzw. Regelung ein oder mehrere Klappenbzw. Stellelement-Systeme
eingesetzt, die mindestens eine durchgehende Achse zur Ansteuerung
bzw. Aufhängung
einer oder mehrerer Klappen bzw. Stellelemente aufweisen. Diese
durchgehende Achse, die in Kugel- und Kugelsegment-System nicht
benötigt werden,
habe einige Nachteile zur Folge, die in Hinblick auf die vorstehend
erwähnten
Anforderungen an eine Impuls-Schalteinheit von Interesse sind. Eine von
einem Fluid umflossene Achse erzeugt zwangsläufig einen sogenannten "Wellenschatten",
der mit einer reduzierten Durchflussleistung sowie störenden nicht
erwünschten
Effekten wie Verwirbelungen einhergeht. Ferner ist die Abdichtung
einer Achse stets kritisch und unterliegt einem erhöhten Verschleiß.
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Im folgenden wird auf das in 4a dargestellte Kugel-System
bzw. auf das in 4b dargestellte
Kugelsegment-System zur Verwendung als Impuls-Schalteinheiten eingegangen.
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4a zeigt
eine schematische perspektivische Ansicht einer Kugel-Impuls-Schalteinheit.
Die dargestellte Kugel-Impuls-Schalteinheit setzt sich aus einer
zweiteiligen äußeren Umfassung,
einer ersten Außenschale
(Halbschale) 71 sowie einer zweiten Außenschale (Halbschale) 72,
zusammen, die das Kugel-Schaltelement 70' einschließen. Das Kugel-Schaltelement 70' ist
in Durchflussposition dargestellt, so dass ein Fluid (Gas bzw. Flüssigkeit)
in der Lage ist, entsprechend der Flussrichtung (Fluideinlass) 80 zu
fließen.
Die vordere Steuerkante 76 dient zugleich als Dichtkante 76,
so dass in einer um 90° gedrehten
Position das Kugel-Schaltelement 70' dicht gegen die ersten
Außenschale
(Halbschale) 71 bzw. die zweiten Außenschale (Halbschale) 72 abschließt. Die
Drehung erfolgt hierbei durch eine äußere Ansteuervorrichtung über den
Lagerbereich 75 um zum Beispiel einen Drehwinkel 82,
wobei der Lagerbereich 75 mittels des Gleit- bzw. Dichtlagers 73 gegen
unerwünschten
Fluidaustritt bzw. Lecken abgedichtet ist.
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Die vordere Steuerkante 76 dient
zugleich als Dichtkante 76 und ist derart ausgelegt, dass
sie einer Drehung möglichst
kleinen Widerstand entgegensetzt, um ein schnelles Öffnen und
Schließen
entsprechend der vorstehend erwähnten
Schaltzeit zu ermöglichen,
aber die Dichtigkeit dennoch so hoch ist, dass von einer geringen
bis keinen Leckrate durch die geschlossene Kugel-Impuls-Schalteinheit gesprochen
werden kann.
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4 abzeigt
eine schematische perspektivische Ansicht Kugelsegment-Impuls-Schalteinheit. Die
dargestellte Kugelsegment-Impuls-Schalteinheit setzt sich aus einer
zweiteiligen äußeren Umfassung, einer
ersten Außenschale
(Halbschale) 71 sowie einer zweiten Außenschale (Halbschale) 72,
zusammen, die das Kugelsegment-Schaltelement 70" einschließen. Das
Kugelsegment-Schaltelement 70" ist in Durchflussposition
dargestellt, so dass ein Fluid (Gas bzw. Flüssigkeit) in der Lage ist,
entsprechend der Flussrichtung (Fluideinlass) 80 bzw. der
Flussrichtung (Fluidauslass) 81 zu fließen. Die vordere Steuerkante 76 dient
zugleich als Dichtkante 76, so dass in einer um 90° gedrehten
Position das Kugelsegment-Schaltelement 70" dicht gegen
die ersten Außenschale
(Halbschale) 71 bzw. die zweiten Außenschale (Halbschale) 72 abschließt. Die
Drehung erfolgt hierbei durch eine äußere Ansteuervorrichtung über den
Lagerbereich 75 um zum Beispiel einen Drehwinkel 82,
wobei der Lagerbereich 75 mittels des Gleit- bzw. Dichtlagers 73 gegen
Fluidaustritt bzw. Lecken abgedichtet ist.
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Die vordere Steuerkante 76 dient
zugleich als Dichtkante 76 ist derart ausgelegt, dass sie
einer Drehung möglichst
kleinen Widerstand entgegensetzt, um ein schnelles Öffnen und
Schließen
entsprechend der vorstehend erwähnten
Schaltzeit zu ermöglichen,
aber die Dichtigkeit dennoch so hoch ist, dass von einer geringen
bis keinen Leckrate durch die geschlossene Kugelsegment-Impuls-Schalteinheit
gesprochen werden kann.
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Sowohl das Kugel-Schaltelement 70' als auch
das Kugelsegment-Schaltelement 70" können abgeflacht ausgeführt sein,
wenn raumsparende Ausführungen
gewünscht
oder erforderlich sind. Durch unterschiedliche Drehwinkel 82 kann
in den beiden Ausführungen
die Durchflussrate des Fluids eingestellt werden. Die karlottenförmig ausgeführte Auslassseite
des Kugelsegment-Schaltelements 70" verbessert insbesondere
die Strömungseigenschaften
des durchfließenden
Fluids auf der Auslassseite in einem Winkelbereich zwischen 0° (offener
Zustand, in 4b dargestellt)
und 90° (geschlossener Zustand,
nicht dargestellt, Drehrichtung durch 82 angezeigt).
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Die Impuls- Steuerelemente ( Kugeln,
Kugelsegmente Walzen oder Walzen- Segemente), siehe mögliche Ausführungsformen
(nicht gezeigt), rotieren mit Geschwindigkeiten zwischen 500 Umdrehungen pro
Minute (U/min ) bis zu ca. 5000 U/min, je nach Ausführungsform
und gewünschter
Impulsdauer bzw. in einem bestimmten Takt in Abstimmung mit den
Luft-Ansaugvorgang
des Verbrennungs- Motors.
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Die Steuersemente können zwei
oder mehrere Luftdurchlässe
für die
erforderlichen Luftstrom- Impulse haben, dies ist jedoch nicht gezeigt.
-
Der Antrieb der Steuerelemente erfolgt
einzeln oder in Gruppen, der linken und rechten Zylinderbank mechanisch,
elektrisch oder elektro-magnetisch mit und ohne Übersetzungs-Getriebe.
-
Die Erfindung ist nicht auf das obige
Ausführungsbeispiel
beschränkt,
das lediglich der allgemeinen Erläuterung des Kerngedankens der
Erfindung dient. Im Rahmen des Schutzumfangs kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
vielmehr auch andere als die vorstehend beschriebenen Ausgestaltungsformen
annehmen. Die Vorrichtung kann hierbei insbesondere Merkmale aufweisen;
die aus einer Kombination aus den jeweiligen Einzelmerkmalen der
Ansprüche
folgen. Bezugszeichen in den Ansprüchen dienen lediglich dem besseren
Verständnis
der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.
-
- 10
- Ansaug-Luftverdichter
- 11
- Luftfilter
- 11'
- integrierter
Resonator
- 12
- kombinierte
Luftmassen- und Gasdruck-Messeinheit
- 13
- Drosselelement
- 13'
- kein
Drosselelement
- 13"
- Drosselklappe
- 13"'
- Kugeldrosselelement
- 15
- Luftzuführung
- 20
- Ansaug-Plenum
- 21
- Resonanzvolumen
- 22
- Resonanzelement
- 23
- Abgasrückführ-Ventil
- 24
- Turbolader-Ventil
- 30
- Saugrohr
- 30'
- Resonanzbereich
- 30"
- Resonanzbereich
- 30"'
- Resonanzbereich
- 31
- Lufteintrittsöffnung
- 32
- Impuls-Schalteinheit
- 32'
- Kugelsegment-Impuls-Schalteinheit
- 32"
- Ansteuervorrichtung
- 33
- Resonanz-Steuereinheit
- 34
- Abgasrückführ-Zuführung
- 35
- Drall-
und/oder Tumble-Element
- 40
- Zylinderkopf
- 41
- Lufteinlass
- 50
- stufenlos
steuerbare Luftweg-Steuereinheit
- 51
- Drehachse
- 52
- Mündungskanal
- 52'
- Mündungsöffnung
- 53
- Drehwinkel
- 54
- Tulpe
- 55
- Übergangsöffnung
- 56
- Ringkanal
- 57
- Innenwand
- 58
- Außenwand
- 59
- Lageraugenausschnitt
- 60
- Tulpenquerschnitt
- 61
- Tulpenquerschnitt
- 62
- Tulpenquerschnitt
- 64
- Dichtungsvorrichtung
- 65
- Dichtungsvorrichtung
- 70'
- Kugel-Schaltelement
- 70"
- Kugelsegment-Schaltelement
- 71
- erste
Außenschale
(Halbschale)
- 72
- zweite
Außenschale
(Halbschale)
- 73
- Gleitlager
(Dichtlager)
- 75
- Lagerbereich
- 76
- vordere
Steuerkante / Dichtkante
- 80
- Fluideinlass
(Flussrichtung)
- 81
- Fluidauslass
(Flussrichtung)
- 82
- Drehwinkel