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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Einlass- und/oder Ansaugtrakt
einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des unabhängigen
Anspruchs 1.
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Stand der
Technik
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Bei
Verbrennungskraftmaschinen wird eine Abtriebs- bzw. Wellenleistung üblicherweise
durch eine explosionsartige Verbrennung eines Luft-Brenngas-Gemischs
erzeugt. Das mit hoher Geschwindigkeit verbrennende Gasgemisch bewirkt
eine schlagartige Expansion, die eine Kraft auf einen beweglichen
Körper
ausübt.
Bei einem herkömmlichen
Hubkolbenmotor wirkt die Verbrennungskraft über einen oszillierenden Kolben
auf ein Schubkurbelgetriebe, das eine Kurbelwelle in Rotation versetzt.
Daneben sind auch andere Prinzipien von Verbrennungskraftmaschinen
bekannt, bspw. sog. Rotationskolbenmotoren (z.B. Motoren, die nach
dem Wankel-Prinzip arbeiten).
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Bei
Verbrennungskraftmaschinen, die eine Fremdzündung aufweisen (Otto-Motoren), wird das Gemisch
in der Brennkammer mittels einer geeigneten Einrichtung zu einem
definierten Zeitpunkt gezündet, üblicherweise
mittels wenigstens einer Zündkerze
je Brennkammer. Bei selbstzündenden
Brennkraftmaschinen (Diesel-Motoren) entzündet sich das Luft-Brenngas-Gemisch
aufgrund einer sehr hohen Komprimierung während eines Verdichtungshubs und
aufgrund der damit einhergehenden starken Erhitzung des brennbaren
Gemischs.
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Fremdgezündete Brennkraftmaschinen
weisen eine Leistungssteuerung auf, die üblicherweise durch die den
Brennkammern zugeführte
Luftmenge gesteuert wird. Bei modernen Motoren wird gleichzeitig
die Menge an zugeführtem
Brennstoff gesteuert, während
bei älteren
Motoren, die mit Vergasern ausgerüstet waren, die Menge an angesaugter
Luft gleichzeitig für
die richtige Menge an im Vergaser zerstäubtem Kraftstoff sorgte. Die
Luftmenge wurde bisher meist mit Drosselklappen bzw. geeigneten Drosseleinrichtungen
gesteuert, die im Ansaugkanal angeordnet sind und je nach Stellung
eines Flachschiebers, einer verschiebbaren Trommel oder einer schwenkbaren
Klappe für
eine mehr oder weniger starke Drosselung der Luftströmung sorgen.
Daneben sind moderne Motoren bekannt, die keine derartige Drosselung
mehr im Ansaug- bzw. Einlasskanal aufweisen, sondern die zur Steuerung
der angesaugten bzw. zugeführten
Luftmenge eine variable Steuerung der Gaswechselventile ermöglichen.
Mittels eines variablen Hubs der Einlassventile können die Funktionen
eines Drosselventils nachgebildet werden, ohne dass es zu störenden Drosselverlusten
im Ansaugkanal kommt.
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Selbstzündende (Diesel-)Motoren
arbeiten normalerweise mit mehr oder weniger großem Luftüberschuss, da hier normalerweise
die zugemessene Kraftstoffmenge für eine Leistungs- und Drehzahlsteuerung
sorgt. Mittels einer Einspritzeinrichtung wird mehr oder weniger
Kraftstoff zugemessen, wodurch die Leistung gesteuert werden kann.
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Allen
diesen verschiedenen Prinzipien von Verbrennungskraftmaschinen ist
gemeinsam, dass für
eine gute Füllung
der Brennräume
mit brennbarem Gemisch und für
eine homogene Vermischung der Luft mit dem Brennstoff ein ausreichend
leistungsfähiger
Ansaugtrakt erforderlich ist. Dieser muss zum einen bei hohen Drehzahlen
und dem damit einhergehenden großen Luftbedarf für die Verbrennung
eine ausreichend große
Luftmenge passieren lassen. Zum anderen darf jedoch die Strömungsgeschwindigkeit
bei niederen Drehzahlen und dem damit einhergehenden geringen Luftbedarf
nicht zu gering sein bzw. die Strömung abreißen, da dies eine gute und
gleichmäßige Füllung der
Brennräume
behindern würde.
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Um
diesen Zielkonflikt zumindest im Ansatz abzumildern, sind bspw.
sog. Schaltsaugrohre bekannt geworden. Diese Schaltsaugrohre weisen
eine zweikanalige Führung
auf, wobei im Teillastbereich im Interesse einer guten Füllung nur
ein Kanal geöffnet
ist, so dass die Strömungsgeschwindigkeit
ausreichend hoch ist. Bei höheren
Drehzahlen der Brennkraftmaschine wird ein paralleler zweiter Kanal geöffnet, so
dass eine ausreichende Menge an Luft passieren kann, ohne dass zu
hohe Luftgeschwin digkeiten entstehen, die in einem zu engen Kanalquerschnitt
zu unerwünschten
Drosselverlusten führen würden.
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Ein
Nachteil dieser Schaltsaugrohre ist ihre mangelnde Universalität, da sie
hinsichtlich ihrer Dimensionierung und ihrer Umschaltparameter jeweils an
eine bestimmte Brennkraftmaschine angepasst werden müssen. Zudem
sind sie nicht für
alle Motoren geeignet, da oftmals der erforderliche Platz fehlt oder
da oftmals nicht die notwendigen Steuerparameter zur Verfügung stehen.
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Darüber hinaus
sind verschiedene Vorrichtungen bekannt, die den Ansaugquerschnitt
eines Ansaugkanals beeinflussen. So beschreibt die
DE 26 43 996 A1 ein elastisches
Venturirohr mit veränderlichem
engsten Querschnitt zur Erzielung einer variablen Durchflussmenge.
Mindestens ein Teil einer Wand im Bereich des engsten Querschnitts
des Venturirohrs besteht aus mindestens einer durch Druck eines
Steuerfluids elastisch verformbaren Scheidewand.
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Die
DE 37 35 559 C1 beschreibt
eine Vorrichtung zur Leistungsbeeinflussung einer quantitätsgesteuerten
Brennkraftmaschine. In deren Ansaugkanal ist in Reihe zur Drosselklappe
ein elastischer Formkörper
angeordnet, dessen veränderbare
Form den freien Querschnitt des Ansaugtraktes bestimmt. Der Formkörper kann
insbesondere schlauchförmig ausgebildet
sein und konzentrisch an der Innenwand in einer Ausbuchtung des
Ansaugkanals anliegen.
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Aus
der WO 89/00 639 A1 ist weiterhin ein Drosselventil für eine Brennkraftmaschine
bekannt. Der effektive Durchlassquerschnitt eines Ansaugkanals kann
mittels eines variabel ansteuerbaren Stellelements verändert werden.
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Ein
weiteres Ansaugrohr eines Verbrennungsmotors mit einer abschnittsweise
veränderbaren
Querschnittfläche
geht aus der
DE 40
34 554 A1 hervor. Hierbei ist zumindest ein Teil der Wand
des Ansaugrohrs als reversibel, insbesondere elastisch verformbare
Membran ausgebildet.
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Eine
Vorrichtung zum dichten Absperren eines mit Fluid durchströmten Kanals
ist in der
DE 43 15
715 C1 beschrieben. Die Vorrichtung umfasst mehrere schlauchförmige Hohlkörper, die
mit einer Druckquelle verbunden sind. Zum Verschließen des Kanals
werden die Hohlkörper
mit einem Überdruck beaufschlagt,
wodurch sie dich tend aneinander liegen und den Kanal fluiddicht
verschließen.
Werden die Druckkörper
mit einem Unterdruck beaufschlagt, so legen sie sich an Stützprofile
an, wodurch der Kanal von einem Fluid durchströmt werden kann.
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Die
DE 43 43 707 A1 beschreibt
ein System zur variablen Steuerung von Luft und Luftfrequenz im Ansaugkanal
einer Brennkraftmaschine, deren Gasstrom mittels eines Ventils gesteuert
wird. Der Ansaugkanal weist mindestens ein als Lufttrichter ausgebildetes
variables Venturielement auf. Abhängig von der Motordrehzahl
ist das Steuerelement einerseits längs des Ansaugkanals verschiebbar.
Zudem lässt
sich der Durchmesser des Steuerelements an der jeweiligen Position
radial verändern,
wodurch drehzahlabhängige
Querschnittsveränderungen
des Ansaugkanals an unterschiedlichen Positionen auf der Längsachse
erzielt werden.
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Die
EP 0 940 575 A2 beschreibt
einen Einlasskanal einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine,
die mit Mitteln zum Verändern
der Anströmungsrichtung
des geführten
Brenngases auf ein Einlassventil zum Verbrennungsraum versehen ist,
um im Verbrennungsraum gezielt einen gewünschten Wirbel der Ladung zu
erzeugen.
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Aus
der
EP 1 279 803 B1 ist
schließlich
ein Verschlussorgan für
einen durchflossenen Querschnitt eines Saugkanals einer Brennkraftmaschine bekannt.
Das Verschlussorgan umfasst einen durch Lamellen gebildeten Schaltmechanismus,
wobei die Lamellen in ihrer Längsausrichtung
unveränderlich im
durchflossenen Querschnitt angeordnet sind und derart elastisch
ausgeführt
sind, dass durch Betätigung
des Schaltmechanismus die Höhe
der Lamellen veränderbar
ist, wodurch der durchflossene Querschnitt verengt und erweitert
werden kann.
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Aufgabenstellung
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen universell
verwendbaren Einlass- bzw. Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine
zur Verfügung
zu stellen, mit dem diese in verbesserter bzw. in optimierter Weise
betrieben werden kann.
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Dieses
Ziel der Erfindung wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs
erreicht. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den abhängigen
Ansprüchen.
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Der
erfindungsgemäße Einlass-
und/oder Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine weist wenigstens einen,
zu wenigstens einer Brennkammer führenden Strömungskanal zum Transport einer
variablen Verbrennungsluftmenge und/oder einer variablen Menge an
Brenngas auf. Wenn im vorliegenden Zusammenhang von einem Ansaugtrakt
die Rede ist, so ist damit in erster Linie ein Einlasstrakt bzw.
Einlasskanal einer nicht aufgeladenen Brennkraftmaschine gemeint.
Wenn dagegen allgemeiner von einem Einlasstrakt die Rede ist, so
sind damit alle Arten von Einlassbereichen gemeint, also auch solche
von aufgeladenen Motoren, bei denen die Verbrennungsluft mittels
Turbolader, Kompressor oder anderem Lader vorverdichtet wird. Es
ist vorgesehen, dass zumindest ein Abschnitt des Strömungskanals
einen variabel einstellbaren Durchlassquerschnitt aufweist. Der Strömungskanal
kann ein gemeinsamer Strömungskanal
sein, der sich in eine Mehrzahl von Brennkammern verzweigt. Wahlweise
können
auch mehrere Brennkammern über
separate Strömungskanäle mit brennfähigem Gemisch
versorgt werden.
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Die
vorliegende Erfindung kann sowohl bei Motoren mit Direkteinspritzung
als auch mit Saugrohreinspritzung zur Anwendung kommen. Auch eine herkömmliche
Gemischaufbereitung mit Vergasern kann in vorteilhafter Weise mit
der Erfindung kombiniert werden. Die seit langem bekannte Problematik bei
Verbrennungsmotoren, die nur sehr schwer so ausgelegt werden können, dass
sie sowohl bei niederen Drehzahlen ein ausreichendes Drehmoment
als auch bei hohen Drehzahlen eine hohe Spitzenleistung liefern
können,
kann mit dem erfindungsgemäßen Einlass-
und/oder Ansaugtrakt mit dem variablen Strömungsquerschnitt des Einlass-
bzw. Ansaugkanals auf effektive und konstruktiv sehr einfache Weise
gelöst
werden. Während
bei niederen Drehzahlen im Interesse einer guten und möglichst
gleichmäßigen bzw.
homogenen Füllung
der Brennräume
und damit eines hohen Drehmoments der Brennkraftmaschine ein relativ
enger Kanalquerschnitt notwendig ist, benötigen die Brennräume bei
hohen Drehzahlen und einer hohen geforderten Leistung eine große Menge
an Verbrennungsluft, die nur über
entsprechend große
Kanalquerschnitte in der benötigten Menge
zu den Brennräumen
gefördert
werden kann. Mittels des erfindungsgemäßen Einlass- und/oder Ansaugtrakts kann dieser Zielkonflikt
durch Ermöglichung
eines sehr breiten Drehzahlbandes mit gleichmäßig hoher Drehmoment bzw. Leistungsabgabe
gelöst
werden.
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Um
die gewünschte
Verstellbarkeit zu erreichen, weist zumindest ein Abschnitt des
Strömungskanals
eine flexible innere Wandung auf, die variabel und vorzugsweise
kontinuierlich, d.h. stufenlos, in ihrem Durchlassquerschnitt entsprechend
der jeweiligen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine und im
Interesse einer guten Zylinderfüllung
verstellt werden kann. Zumindest ein Abschnitt des Strömungskanals
weist eine mittels Fluiddruck variabel verformbare innere Wandung
auf. Hierzu ist eine zumindest abschnittsweise aus elastisch verformbarem Material
bestehende innere Wandung des Strömungskanals vorgesehen. In
allgemeinerer Form kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Abschnitt der
inneren Wandung des Strömungskanals
ein elastisch verformbares Material aufweist. Durch aufgebrachten
Fluiddruck kann die innere Wandung verformt werden, so dass der
Durchlassquerschnitt verengt wird. Das elastische Material wird
hierbei derart komprimiert, dass ein zuvor ovaler oder runder Querschnitt
auf einen runden oder ovalen Querschnitt geringeren Durchmessers
verengt wird.
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Gemäß der Erfindung
ist vorgesehen, dass zumindest ein Abschnitt des Strömungskanals
eine flexible innere Wandung und eine weitgehend starre äußere Wandung
aufweist. Die starre äußere Wandung
stellt die Begrenzung für
die maximale Dehnbarkeit der flexiblen inneren Wandung dar. Gleichzeitig
kann die starre äußere Wandung
eine Stützwand bei
Aufbringung eines erhöhten
Fluiddrucks sein, so dass eine Variation des Steuerdrucks ausschließlich zu
einer Variation des Durchlassquerschnittes des flexiblen inneren
Rohres, nicht jedoch zu einer Expansion oder Kompression der übrigen Wände oder Begrenzungen
des Druckfluidreservoirs führen
kann.
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Die
flexible innere Wandung und die weitgehend starre äußere Wandung
sind ineinander, insbesondere koaxial zueinander angeordnet. Somit
stellen beiden Wände
jeweils äußere Begrenzungen
für das
als Steuerfluid verwendet Druckfluid dar. Bei erhöhtem Steuerdruck
bzw. bei Einbringung eines zusätzlichen
Druckfluidvolumens dehnt oder komprimiert sich somit nur die innere
Wand, während
die äußere Wand
eine stabile Stützwand
bildet, die vorzugsweise nicht oder nur geringfügig dem variablen Steuerdruck
des Druckfluids nachgibt.
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Zur
Variation des Durchlassquerschnitts des Einlass- und/oder Ansaugtrakts
bzw. des Strömungskanals
ist zwischen flexibler innerer Wandung und weitgehend starrer äußerer Wandung
ein Druckfluidreservoir angeordnet, das über wenigstens einen Verbindungskanal
mit einer steuerbaren Druckquelle und/oder mit einem steuerbaren
Ausgleichsvolumen gekoppelt ist. Die steuerbare Druckquelle und/oder das
steuerbare Ausgleichsvolumen kann bspw. derart mit wenigstens einem
Betriebsparameter der Brennkraftmaschine wirkverbunden bzw. gekoppelt sein,
dass bei höheren
Drehzahlen und/oder bei erhöhter
Strömungsgeschwindigkeit
im Ansaugkanal dessen Querschnitt vergrößert wird. Eine besonders effektive
Steuerung der Betriebsparameter ist möglich, wenn die steuerbare
Druckquelle und/oder das steuerbare Ausgleichsvolumen über eine
Motorsteuerungseinrichtung in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern
der Brennkraftmaschine ansteuerbar sind. Auf diese Weise kann die
variable Querschnittseinstellung des Strömungskanals bspw. auch mittels
einer Kennfeldsteuerung erfolgen.
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Das
erfindungsgemäße Stellelement
im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine stellt das einzige Drosselelement
zur Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit
und/oder der Menge des der wenigstens einen Brennkammer zugeführten Brenngas-Luft-Gemisches dar,
wodurch die Drosselverluste aller Arten von Drosselventilen vollständig entfallen.
Es wird vielmehr in ideal runder oder ovaler Ansaugquerschnitt zur
Verfügung
gestellt, in den keinerlei Vorsprünge, Stellelemente, Klappenventile
o. dgl. hineinragen, so dass ideale Strömungsverhältnisse realisiert werden können. Diese
Strömungsverhältnisse
werden zudem dadurch optimiert, dass sich das Stellelement nicht
nur an einer definierten Stelle des Ansaugkanals befindet, sondern
dass sich das Stellelement über
eine definierte Länge
von vorzugsweise mehreren Zentimetern bzw. Dezimetern des Strömungskanals
erstreckt.
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Auf
diese Weise kann bei allen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine
und auch bei schnellen Lastwechseln eine weitgehend laminare Strömung erzwungen
werden. Ein Strömungsabriss durch
Turbulenzen kann effektiv verhindert werden, was insbesondere bei
schnellen Lastwechseln von Vorteil ist. Zudem kann die Brennkraftmaschine
im Interesse eines hohen Gasdurchsatzes bei hohen Drehzahlen auf
eine hohe Spitzenleistung abgestimmt werden, ohne dass dies mit
Nachteilen und ungenügendem
Drehmomentverlauf bei niederen Drehzahlen erkauft werden muss. Die
unter nahezu allen Betriebsbedingungen laminar und gleichmäßig bleibende
Strömung
des Brenngas-Luft-Gemisches im Ansaugkanal führt zu einer sehr guten Abstimmbarkeit des
Motormanagements und der übrigen Steuer-
und Regelparameter der Brennkraftmaschine.
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Die
flexible Wandung des Strömungskanals kann
insbesondere ein Silikonmaterial und/oder ein medienresistentes
Elastomermaterial umfassen. Daneben sind weitgehend alle Materialien
geeignet, die über
die erforderliche Elastizität
und/oder über
die gewünschte
Medienresistenz verfügen.
Die Medienresistenz ist insbesondere dann notwendig, wenn Brenngase
durch den Strömungskanal
geleitet werden, bspw. bei einer Brennkraftmaschine, die über eine
Saugrohreinspritzung verfügt.
Auch bei Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung kann es sinnvoll
sein, wenn die flexible Wandung des Strömungskanals über eine
ausreichende Medienresistenz gegenüber teilweise aggressiven Kraftstoffen
und/oder Schmierstoffen verfügt.
Darüber
hinaus ist es wünschenswert,
wenn die flexible Wandung über
die erforderliche Temperaturbeständigkeit
verfügt,
da der typische Einbauort eines Ansaugtraktes in Nähe eines
Motorblocks und/oder in Nähe
eines Abgaskanals erheblichen Temperaturbelastungen unterliegen kann.
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Das
Druckfluid kann ein Hydraulikfluid oder ein Druckgas, insbesondere
Luft sein. Als Druckfluid eignen sich grundsätzlich die verschiedensten
Stoffe, bspw. eine herkömmliche
Hydraulikflüssigkeit,
wie sie auch bei anderen Aggregaten eines Kraftfahrzeuges eingesetzt
wird. Als Druckfluid eignet sich insbesondere Luft, die von einem
Kompressor oder von einem Druckreservoir zur Verfügung gestellt
werden kann. So kann es bspw. vorgesehen sein, dass ein Kompressor
permanent für
einen ausreichenden Hochdruck in einem Druckspeicher sorgt, aus
dem dann der erforderliche Hochdruck für ein schnelles Verändern des
Strömungskanaldurchmessers
geliefert werden kann. Das schnelle Umströmen wird vorzugsweise mittels
Schaltventilen gesteuert. Auf diese Weise kann das System sehr schnell
ansprechen und eignet sich als variable Steuergröße zur Optimierung der Betriebsparameter
und Leistungskenngrößen der
damit ausgestatteten Brennkraftmaschine. Soll der Strömungsquerschnitt
in sehr kurzer Zeit vergrößert werden,
kann es bspw. vorteilhaft sein, einen Überdruck über ein Abblasventil an die
Atmosphäre abzugeben.
Auf diese Weise kann das Anspechverhalten des Systems optimiert
werden.
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Der
Durchmesser des Strömungskanals kann
drehzahlabhängig
und/oder lastabhängig und/oder
abhängig
von weiteren Motorsteuerungsparametern verstellbar sein. Vorzugsweise
ist das System zur Verstellung des Strömungskanaldurchmesser Bestandteil
einer komplexeren Motorsteuerung, die eine Vielzahl von Sensordaten
berücksichtigt
und in Abhängigkeit
davon eine Vielzahl von Aktoren ansteuert. Der erfindungsgemäße Ansaugkanal
weist insbesondere Vorteile bei komplexen Regelsystemen wie einer
elektronischen Einrichtung zur Verhinderung von Fahrzeuginstabilitäten auf,
bei dem einzelne Räder
abgebremst und/oder mit zusätzlicher
Antriebsleistung beaufschlagt werden. Bei einem derartigen System
ist ein schnelles Ansprechverhalten besonders wichtig, wobei zu
jedem Zeitpunkt gewährleistet
sein muss, dass die Leistungsentfaltung kontrollierbar und gleichmäßig ist.
Diese gleichmäßige und
kontrollierbare Leistungsentfaltung wird insbesondere durch den
variablen Ansaugkanal ermöglicht,
in dem die jederzeit laminare Strömung nicht durch herkömmliche
Drossel- oder Stellventile beeinträchtigt wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird der Ansaugtrakt nicht nur zur variablen Beeinflussung der
der Brennkammer zugeführten
Verbrennungsluft- bzw. Brenngasmenge eingesetzt, sondern auch zur Steuerung
bzw. Regelung eines Leerlaufzustandes, bei der nur einen minimale
Menge an Verbrennungsluft notwendig ist. Bei nahezu geschlossenem
Strömungskanal
kann eine so geringe Menge an Verbrennungsluft passieren, dass sich
damit ein stabiler, lasffreier Leerlaufzustand der Brennkraftmaschine einstellen
lässt,
ohne dass weitere Drosselmaßnahmen
oder Drosselvorrichtungen o. dgl. notwendig sind. Die Erfindung
ermöglicht
somit einen Verzicht auf herkömmliche
Drosselklappen o. dgl., da die gesamte Drosselung mit Hilfe des
variabel einstellbaren Ansaugkanals realisierbar ist.
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Wie
bereits oben erwähnt,
kann der erfindungsgemäße Einlass-
und/oder Ansaugtrakt bei nahezu allen Verbrennungskraftmaschinen
eingesetzt werden, unabhängig
davon, ob dies sog. selbstansaugende Brennkraftmaschinen sind oder
solche, die eine Vorverdichtung der Verbrennungsluft aufweisen, bspw. über Turbolader,
Kompressoren oder andere Verdichtungseinrichtungen zur Erhöhung der
Dichte der Verbrennungsluft. Bei all diesen verschiedenen Bauarten
von Motoren bestehen grundsätzlich ähnliche
Zusammenhänge
zwischen der jeweils benötigten
Luftmenge und den minimalen und maximalen Grenzwerten einer sinnvollen
Luftgeschwindigkeit im Ansaugtrakt. So kann es bspw. bei einer turbogeladenen
Verbrennungskraftmaschine besonders vorteilhaft sein, den Strömungsquerschnitt
im Einlass- und/oder An saugtrakt bei niederen Motordrehzahlen reduzieren
zu können,
um damit auch bei noch langsam laufendem Verdichterrad eines Turboladers
eine ausreichende Füllung
der Brennkammern gewährleisten
zu können.
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Der
erfindungsgemäße Einlass-
und/oder Ansaugtrakt eignet sich für einen vielfältigen Einsatz bei
Otto- oder Dieselmotoren, die nach dem 2-Takt- oder dem 4-Takt-Verfahren arbeiten.
Auch Wankel- oder Rotationskolbenmotoren lassen sich in vorteilhafter
Weise damit optimieren. Auch kontinuierlich verbrennende Motoren
wie bspw. Gasturbinen lassen sich mit Hilfe des erfindungsgemäßen Einlass- und/oder
Ansaugtrakts besser modulierend, d.h. mit variabler Drehzahl und
Leistung, betreiben.
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Der
erfindungsgemäße Einlass-
und/oder Ansaugtrakt eignet sich für Motoren mit Direkteinspritzung
oder mit Saugrohreinspritzung. Er eignet sich darüber hinaus
für Motoren
mit Vergasern aller Art. Er eignet sich für Motoren mit Gaswechselventilen
ebenso wie für
solche, die eine Einlasssteuerung mit Schiebern, Membran, Drehschiebern
o. dgl. (z.B. Gaswechselsteuerung mittels oszillierendem Kolben bei
2-Takt-Motor) aufweisen.
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Ausführungsbeispiel
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Das
Beispiel dient zur Illustrierung der Erfindung, ist jedoch in keiner
Weise einschränkend
zu verstehen.
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1 zeigt
eine Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung.
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2 zeigt
einen Einlass- und/oder Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine mit
variabel verstellbarem Strömungskanal.
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3 zeigt
die Verschaltung des Einlass- bzw. Ansaugtrakts gemäß 2 in
einem schematischen Blockschaltbild.
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4 zeigt verschiedene Schaltzustände des
erfindungsgemäßen Einlass- bzw. Ansaugtrakts.
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Die
schematischen Darstellungen der 1 bis 4 dienen zur Veranschaulichung eines möglichen Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung. Gleiche Teile sind dabei grundsätzlich mit
gleichen Bezugszeichen versehen und sind daher teilweise nicht mehrfach
erläutert.
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Die
schematische Darstellung der 1 zeigt
eine Verbrennungskraftmaschine 10 in einer Bauart eines
Hubkolbenmotors, der wenigstens eine Brennkammer 12 mit
damit oszillierendem Hubkolben 14 aufweist, der über eine
Pleuelstange 16 mit einem Hubzapfen 18 einer Kurbelwelle 20 verbunden ist.
Die rotierende Kurbelwelle 20 liefert eine mechanische
Wellenleistung, die aus einer Verbrennungsenergie eines Kraftstoff-Luft-Gemischs gewonnen wird,
das in der Brennkammer 12 diskontinuierlich verbrannt wird.
Wahlweise können
Gaswechselventile 22 im Kopfbereich 24 der Brennkammer 12 in
Gestalt von Einlassventilen 26 und Auslassventilen 28 vorgesehen
sein. Eine Zündkerze
ist nicht dargestellt, da die Brennkraftmaschine auch eine solche mit
Selbstzündung
(Dieselmotor) sein kann.
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Während verbranntes
Abgas aus der Brennkammer 12 durch die Auslassventile 28 zu
einem Abgastrakt 30 geleitet und ausgestoßen wird,
stehen die Einlassventile 26 mit einem Einlasstrakt 32 in
Verbindung, der bei einem selbstansaugenden Motor (ohne Aufladung)
meist auch als Ansaugtrakt bezeichnet wird. In diesem Einlasstrakt 32 befindet
sich wenigstens ein Strömungskanal 34,
der einen zumindest abschnittsweise variablen Durchlassquerschnitt
DK aufweist.
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Die
schematische Darstellung der 2 zeigt
den Einlasstrakt 32 der Brennkraftmaschine 10, der
je nach deren Bauart (ohne Vorrichtung zur Vorverdichtung der Verbrennungsluft)
auch als Ansaugtrakt bezeichnet werden kann. Der Strömungskanal 34 ist
mit einem erfindungsgemäßen Stellelement 35 versehen.
Der Strömungskanal 34 weist
hierzu eine ovale oder zylindrische oder anders geformte Innenwandung 36 auf,
die aus flexiblem Material gebildet ist. Zwischen flexibler Innenwandung 36 und
einer beabstandet und koaxial zu dieser angeordneten, weitgehend
formstabilen Außenwandung 38,
die ebenfalls zylindrisch, oval oder anders geformt sein kann, befindet
sich eine Druckfluidkammer 40, die über eine Verbindungsleitung 42 mit
einem Druckreservoir bzw. einer Druckquelle (vgl. 3)
in Verbindung stehen kann. Vorzugsweise ist die flexible Innenwandung 36 so
aufgehängt
bzw. so an der weitgehend starren, formstabilen Außenwandung 38 befestigt,
dass bei Druckbeaufschlagung auf das Druckfluid 44 eine
weitgehend gleichmäßige Querschnittsverengung
des Durchlassquerschnitts DK stattfindet.
Dieses Verformungsverhalten kann durch geeignete Längsversteifungen 46 beeinflusst
und in gewünschter
Weise gewährleistet
werden, die in die flexible Innenwandung 36 eingearbeitet
bzw. an dieser fixiert sind und deren Längserstreckungsrichtung annähernd parallel
zur Kanallängsrichtung
ausgerichtet ist. Wahlweise kann das gewünschte Verformungsverhalten
der flexiblen Innenwandung 36 auch durch deren gezielte
Gefüge-
bzw. Strukturgestaltung beeinflusst und gewährleistet werden, bspw. durch
eine geeignete Verstärkungsmatrix
aus teilflexiblen, jedoch in Längsrichtung
unflexiblen Verstärkungsfäden bzw.
durch ein Netz aus solchen Verstärkungsfäden.
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Das
schematische Blockschaltbild der 3 zeigt
eine mögliche
Verschaltung des Einlasstrakts 32 gemäß 2. Die Druckfluidkammer 40 kann bspw. über Schaltventile
mit einer geeigneten Druckquelle 46 und/oder mit einem
Hochdruckreservoir 48 verbunden sein. Wird Luft als Druckfluid 44 verwendet,
kann diese mittels einer Hochdruckpumpe 50 das Druckreservoir 48 mit
Druckluft füllen,
so dass zu jedem Zeitpunkt genügend
Druckluft zum Befüllen der
Druckfluidkammer 40 zur Verfügung steht. Alternativ kann
auch eine geeignete Hydraulikflüssigkeit als
Druckfluid verwendet werden, was jedoch ein geschlossenes System
erforderlich macht.
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Im
offenen System des gezeigten Ausführungsbeispiels kann die Druckfluidkammer 40 vorzugsweise über ein
Abblasventil 52 verfügen,
das zur schnellen Entspannung der Druckfluidkammer 40 geöffnet werden
kann, sobald eine Querschnittsvergrößerung des Strömungskanals 34 notwendig
ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
ist das Abblasventil 52 als elektrisch betätigbares
2/2-Wege-Ventil ausgebildet. Wahlweise können jedoch auch andere Ventilbauarten
verwendet werden.
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Innerhalb
der Verbindungsleitung 42, zwischen Hochdruckreservoir 48 und
Druckfluidkammer 40, befindet sich ein zweites Schaltventil 54,
das zur Druckbeaufschlagung der Druckfluidkammer 40 im Strömungskanal 34 geöffnet werden
kann, sobald eine Querschnittsverengung des Strömungskanals 34 gewünscht ist.
Auch dieses Schaltventil 54 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel
als elektrisch betätigbares
2/2-Wege-Ventil
ausgebildet. Zwischen Hochdruckspeicher 50 und Druckfluidkammer 40 kann
ein zusätzliches
Rückschlagventil
(nicht dargestellt) angeordnet sein, das bei geöffnetem Ventil 54 ein
Zurückströmen von
Luft zum Behälter 50 verhindert, falls
dieser drucklos sein sollte. Da dieser Zustand im regulären Betrieb
jedoch nicht vorgesehen ist, kann auf das Rückschlagventil ggf. auch verzichtet
werden.
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Zwischen
Hochdruckpumpe 50 und Hochdruckreservoir 48 genügt prinzipiell
ein einfaches Rückschlagventil 56,
das ein Zurückströmen der Druckluft
zur Pumpe 50 verhindert. Ggf. kann zusätzlich zum Abblasventil 52 ein
Druckbegrenzungsventil 58 an der Druckfluidkammer 40 des
Strömungskanals 34 vorgesehen
sein, das bei einer Fehlschaltung verhindern kann, dass die Druckfluidkammer 40 mit zu
viel Druck aus dem Hochdruckreservoir 48 bzw. von der Hochdruckpumpe 50 beaufschlagt
werden kann.
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Die
Schaltventile 52 (Abblasventil) und 54 (Füllventil)
können
bspw. elektromagnetisch oder piezoelektrisch betätigbare Ventile sein, die mit
einer geeigneten Steuereinrichtung 60 gekoppelt sind bzw. von
dieser angesteuert werden. Die Steuereinrichtung 60 kann
insbesondere eine Motorsteuerungszentrale sein, die anhand der Signaldaten
mehrerer Sensoren die typischerweise vorhandenen Aktoren einer modernen
Brennkraftmaschine ansteuert. Derartige Sensoren sind bspw. ein
Wegsensor eines sog. elektronischen Gaspedals, ein Luftmassensensor,
ein Drehzahlsensor etc. Derartige Aktoren sind bspw. elektronische
Kraftstoffeinspritzventile, Stelleinrichtungen für Leitschaufeln von Turboladern
etc. Auch eine mittels elektrischem Stellmotor betätigte Drosselklappe
im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine ist ein solcher Aktor.
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Hinzu
kommen bei einem erfindungsgemäßen Einlasstrakt
die beiden Schaltventile 52 und 54, die als Aktoren
fungieren und in Abhängigkeit
von aufbereiteten Sensordaten für
eine Verstellung des Durchlassquerschnitts DK des
Strömungskanals 34 sorgen
können.
Bei einem modernen Motor werden die Sensordaten mittels einer elektronischen
Motorsteuerung in geeigneter Weise gewichtet und über ein
Kennfeld aufbereitet, bevor sie den Aktoren als Steuersignale zur
Verfügung
gestellt werden.
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Zusätzlich kann
an der Druckfluidkammer 40 des Strömungskanals 34 ein
Drucksensor 62 und/oder ein (nicht dargestellter) Wegsensor
bzw. ein Kraftsensor, bspw. in Gestalt eines Dehnmessstreifens o.
dgl. angeordnet sein. Ein solcher Drucksensor 62 (bzw.
der Weg- oder Kraftsensor) kann ein weiteres Eingangssignal für die Steuereinrichtung 60 liefern,
so dass diese nicht nur zwischen den beiden Schaltzuständen „Querschnitt
weit" und „Querschnitt verengt" umschalten kann.
Vielmehr sind auf Basis der Sensordaten auch zahlreiche Zwischenwerte möglich, die
mit Hilfe der Sensordaten mit guter Reproduzierbarkeit realisiert
werden können.
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Grundsätzlich ist
der erfindungsgemäße Einlass-
bzw. Ansaugtrakt 32 jedoch auch dafür geeignet, mittels einer einfachen
Drehzahlsteuerung im Querschnitt variiert zu werden, da der grundsätzliche Zusammenhang
gilt, dass die Brennkraftmaschine 10 bei niedrigen Drehzahlen
weniger Verbrennungsluft benötigt,
die jedoch mit ausreichender Strömungsgeschwindigkeit
in die Brennkammer 12 gelangen sollte. Dagegen benötigt die
Brennkraftmaschine 10 bei hohen Drehzahlen bzw. bei Volllast
wesentlich mehr Verbrennungsluft, wobei eine ausreichende Menge
besser durch einen vergrößerten Einlassquerschnitt
passieren kann.
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Die
schematischen Darstellungen der 4 (4a, 4b, 4c und 4d)
zeigen verschiedene Schaltzustände
des erfindungsgemäßen Einlasstrakts 32,
wobei bei der Beschaltung des variablen Strömungskanals 34 auf
das Blockschaltbild der 3 Bezug genommen wird.
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Das
obere Bild (4a) zeigt einen Strömungskanal 34 mit
entspannter Innenwandung 36 und entsprechend maximalem
Durchlassquerschnitt DK ( max ). Das Abblasventil 52 (vgl. 3)
kann geöffnet
oder nach geöffneter
Stellung bereits wieder geschlossen sein. Das Schaltventil 54 ist
geschlossen, so dass die Druckfluidkammer 40 weitgehend
leer bzw. entspannt ist. Aufgrund der im entspannten Zustand weitgehend
an der starren Außenwandung 38 anliegenden
flexiblen Innenwandung 36 ist der Strömungskanal 34 im Interesse
einer Versorgung der Brennkammer 12 mit relativ viel Verbrennungsluft weit
geöffnet.
Dieser Zustand kennzeichnet eine mit hoher Drehzahl und hoher Last
arbeitende Brennkraftmaschine 10.
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Das
zweite Bild von oben (4b) zeigt den Strömungskanal 34 mit
nur teilweise komprimierter, leicht zusammengedrückter Innenwandung 36 und entsprechend
mittlerem Durchlassquerschnitt DK ( 1 ) . Das Abblasventil 52 ist geschlossen.
Das Schaltventil 54 kann nach geöffneter Stellung nach einem
Umströmvorgang
einer definierten Menge an Druckfluid 44 bzw. Druckluft
aus dem Hochdruckreservoir 48 in die Druckfluidkammer 40 des
Strömungskanals 34 bereits
wieder geschlossen sein, so dass die Druckfluidkammer 40 nicht
mit dem maximal zulässigen Druck,
sondern mit einem mittlerem Druck P1 beaufschlagt
ist. Aufgrund der im teilweise gespannten Zustand mit definiertem
Abstand von der starren Außenwandung 38 abgehobenen
flexiblen Innenwandung 36 ist der Strömungskanal 34 im Interesse
einer ausreichend hohen Strömungsgeschwindigkeit
verengt. Dieser Zustand kennzeichnet eine mit mittlerer Drehzahl
und mittlerer bzw. hoher Last arbeitende Brennkraftmaschine 10,
bei der eine mittlere Menge an Verbrennungsluft für den Verbrennungsvorgang
in der Brennkammer 12 benötigt wird, die jedoch im Interesse
einer ausreichenden Strömungsgeschwindigkeit
durch einen verengten Strömungskanal 34 passiert.
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Das
dritte Bild von oben (4c) zeigt den Strömungskanal 34 mit
ebenfalls nur teilweise komprimierter, jedoch gegenüber dem
zuvor beschriebenen Zustand (4b) stärker zusammengedrückten Innenwandung 36 und
entsprechend mittlerem Durchlassquerschnitt DK(2).
Das Abblasventil 52 ist geschlossen. Das Schaltventil 54 kann
nach geöffneter
Stellung nach einem Umströmvorgang
einer definierten Menge an Druckfluid 44 bzw. Druckluft
aus dem Hochdruckreservoir 48 in die Druckfluidkammer 40 des
Strömungskanals 34 bereits
wieder geschlossen sein, so dass die Druckfluidkammer 40 nicht
mit dem maximal zulässigen
Druck, sondern mit einem mittlerem Druck P2 beaufschlagt
ist. Aufgrund der im teilweise gespannten Zustand mit definiertem
Abstand von der starren Außenwandung 38 abgehobenen
flexiblen Innenwandung 36 ist der Strömungskanal 34 im Interesse
einer ausreichend hohen Strömungsgeschwindigkeit
deutlich verengt. Dieser Zustand kennzeichnet eine mit niederer
oder mittlerer Drehzahl und mittlerer Last arbeitende Brennkraftmaschine 10,
bei der eine geringe bis mittlere Menge an Verbrennungsluft für den Verbrennungsvorgang
in der Brennkammer 12 benötigt wird, die jedoch im Interesse
einer ausreichenden Strömungsgeschwindigkeit
durch einen relativ stark verengten Strömungskanal 34 passiert.
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Das
untere Bild (4d) zeigt den Strömungskanal 34 mit
stark komprimierter, zusammengedrückter Innenwandung 36 und
entsprechend minimalem Durchlassquerschnitt DK ( min ).
Der Durchlassquerschnitt DK ist so stark
verengt, dass nur eine sehr geringe Menge an Verbrennungsluft durch
den Strömungskanal 34 passieren
kann. Das Abblasventil 52 ist geschlossen. Das Schaltventil 54 kann
nach geöffneter
Stellung nach einem Umströmvorgang
von Druckfluid 44 bzw. Druckluft aus dem Hochdruckreservoir 48 in
die Druckfluidkammer 40 des Strömungskanals 34 bereits
wieder ge schlossen sein, so dass die Druckfluidkammer 40 mit
dem maximal zulässigen
Druck beaufschlagt ist. Aufgrund der im gespannten Zustand mit maximalem
Abstand von der starren Außenwandung 38 abgehobenen
flexiblen Innenwandung 36 ist der Strömungskanal 34 im Interesse
einer minimalen Verbrennungsluftmenge sehr stark verengt. Dieser
Zustand kennzeichnet eine mit geringer Drehzahl und minimaler Last
arbeitende Brennkraftmaschine 10, bei der nur sehr wenig
Verbrennungsluft für
den Verbrennungsvorgang in der Brennkammer 12 benötigt wird.
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Der
in 4d gezeigte Zustand kennzeichnet insbesondere
eine mit Leerlaufdrehzahl umlaufende Brennkraftmaschine 10 ohne
Lastanforderung, die eine zur Aufrechterhaltung des Leerlaufzustandes
minimale Kraftstoff- und Verbrennungsluftmenge benötigt.
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Der
optional zu realisierende Zustand gemäß 4d ermöglicht es,
dass im erfindungsgemäßen Ansaugtrakt
der Verbrennungskraftmaschine auf sonstige Drosseleinrichtungen
völlig
verzichtet werden kann, da die Druckfluidkammer 40 so komprimiert
werden kann, dass sich ein Durchlassquerschnitt realisieren lässt, der
einer in Leerlaufstellung befindlichen Drosselklappe entspricht.
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Wie
anhand der 2 bis 4 verdeutlicht
ist, stellt das erfindungsgemäße Stellelement 35 im
Ansaugtrakt 30 der Brennkraftmaschine 10 das einzige Drosselelement
zur Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit
und/oder der Menge des der wenigstens einen Brennkammer 12 zugeführten Brenngas-Luft-Gemisches
dar, wodurch die Drosselverluste aller Arten von herkömmlichen
Drosselventilen weitgehend vollständig vermieden werden können. Es
wird vielmehr in ideal runder oder ovaler Ansaugquerschnitt zur
Verfügung
gestellt, in den keinerlei Vorsprünge, Stellelemente, Klappenventile
o. dgl. hineinragen, so dass ideale Strömungsverhältnisse realisiert werden können. Diese
Strömungsverhältnisse
werden zudem dadurch optimiert, dass sich das Stellelement 35 nicht
nur an einer definierten Stelle des Strömungskanals 34 befindet,
sondern dass sich das Stellelement 35 über eine definierte Länge von
vorzugsweise mehreren Zentimetern bzw. Dezimetern des Strömungskanals 34 erstreckt.
Das Stellelement kann bspw. eine Länge von ca. 10 bis 20 Zentimetern
oder auch weniger aufweisen, je nachdem, welche Auslegung gewünscht ist
und welcher Einbauraum im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zur
Verfügung
steht.
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Auf
diese Weise kann bei allen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine 10 und
auch bei schnellen Lastwechseln eine weitgehend laminare Strömung erzwungen
werden. Ein Strömungsabriss durch
Turbulenzen des Brenngas-Luft-Gemisches kann effektiv verhindert
werden, was insbesondere bei schnellen Lastwechseln von Vorteil
ist. Zudem kann die Brennkraftmaschine 10 im Interesse
eines hohen Gasdurchsatzes bei hohen Drehzahlen auf eine hohe Spitzenleistung
abgestimmt werden, ohne dass dies mit Nachteilen und ungenügendem Drehmomentverlauf
bei niederen Drehzahlen erkauft werden muss. Die unter nahezu allen
Betriebsbedingungen laminar und gleichmäßig bleibende Strömung des
Brenngas-Luft-Gemisches im Ansaugkanal 34 führt zu einer
sehr guten Abstimmbarkeit des Motormanagements und der übrigen Steuer-
und Regelparameter der Brennkraftmaschine 10.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten
Merkmale der Erfindung können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung
der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung
sein. Die Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele
beschränkt. Vielmehr
ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die von
dem erfindungsgemäßen Gedanken
Gebrauch machen und deshalb ebenfalls in den Schutzbereich fallen.
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- 10
- Brennkraftmaschine
- 12
- Brennkammer
- 14
- Hubkolben
- 16
- Pleuelstange
- 18
- Hubzapfen
- 20
- Kurbelwelle
- 22
- Gaswechselventile
- 24
- Kopfbereich
- 26
- Einlassventil
- 28
- Auslassventil
- 30
- Abgastrakt
- 32
- Einlasstrakt
- 34
- Strömungskanal
- 35
- Stellelement
- 36
- Innenwandung
- 38
- Außenwandung
- 40
- Druckfluidkammer
- 42
- Verbindungsleitung
- 44
- Druckfluid
- 46
- Druckquelle
- 48
- Hochdruckreservoir
- 50
- Hochdruckpumpe
- 52
- Abblasventil
- 54
- Schaltventil
- 56
- Rückschlagventil
- 58
- Druckbegrenzungsventil
- 60
- Steuereinrichtung
- 62
- Drucksensor
- DK
- Durchlassquerschnitt
(Strömungskanal)
- P
- Druck
(der Druckfluidkammer 40)