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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft Luftzuführvorrichtungen für Verbrennungsmaschinen.
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Luftzuführvorrichtungen werden zur Regulierung und/oder Steuerung von Luftströmen durch ein System verwendet, zum Beispiel in eine Verbrennungsmaschine für Kraftfahrzeuge.
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In modernen, elektronische Kraftstoffeinspritzanlagen aufweisenden Maschinen muss die integrierte Steuerung in der Lage sein, zu bestimmen, wie viel Luftstrom in die Maschine eintritt, um die notwendige Brennstoffmenge zum Einspritzen in den Luftstrom oder direkt in die Verbrennungskammer zum Verbrennen berechnen zu können. Natürlich hängt eine solche Berechnung auch von anderen Faktoren ab, wie zum Beispiel die gewünschte Fettheit oder Magerkeit des Brennstoffes, um Brennstoffemissionsstandards, Brennstoffenergieverbrauch, Kaltstarts usw. zu erfüllen.
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Luftdrosselventile des Schmetterlingstyps werden allgemein zur Regulierung des Luftstromes verwendet. Ein Rotationssensor ist mit dem Schmetterlingsventil verbunden, um dessen Position zu bestimmen und daher eine Luftstrombestimmung durch die Luftzuführvorrichtung abzuleiten.
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Jedoch sind Schmetterlingsdrosselventile vollständig innerhalb des Luftkanals enthalten, was Turbulenzen und andere Ineffizienzen, insbesondere bei hohen Luftstromraten, hervorruft.
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Verschiebbare Drosselventile des Guillotinetyps wurden entwickelt, um dieses Problem zu adressieren. Solche Drosselventile stellen eine verschiebbare Guillotine dar, die sich in und aus dem Luftkanal verschiebt. Bei hohen Flussraten tritt daher fast keine strukturelle Störung des laminaren Luftstromes durch die Luftzuführvorrichtung auf. Nichtsdestotrotz weist dieser Typ von Luftzuführvorrichtungen den Nachteil auf, dass die für die Berechnung des Luftstromes erforderlichen linearen Sensoren teuer sind, schwer erhältlich sind und anfällig für Fehlfunktionen für den allgemeinen öffentlichen Gebrauch sind.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mindestens einige dieser Probleme zu beseitigen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Luftzuführvorrichtung für Verbrennungsmaschinen:
- – einen Luftansaugkanal zum Lenken des Luftdurchlasses in Richtung von mindestens einer Verbrennungskammer von besagter Verbrennungsmaschine,
- – eine Drosselventilanordnung mit einem Drosselventil.
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Das Drosselventil ist zwischen einer ersten Position, wobei besagtes Drosselventil im Wesentlichen den besagten Ansaugkanal zum Luftdurchlass schließt, und einer zweiten Position, wobei besagtes Drosselventil den besagten Luftansaugkanal zum Luftdurchlass öffnet, betreibbar. Das Drosselventil rotiert um eine außerhalb des Luftansaugkanals liegende Rotationsachse. Die Luftzuführvorrichtung umfasst des Weiteren einen Sensor, der zur Messung der Rotationsposition des Drosselventils angepasst ist.
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Da die Rotationsachse außerhalb des Ansaugkanals ist, weist die offene Position eine wesentlich reduzierte Turbulenzrate auf. Die Luftzuführvorrichtung ist effizienter in einem größeren Bereich von Betriebsbedingungen. Da das Drosselventil nicht verschiebbar ist, ist die Führung der Ventilbewegung und die Wahrnehmung der Ventilposition viel einfacher. Daher ist eine solche Luftzuführvorrichtung effizienter oder kostengünstiger herstellbar als traditionelle Vorrichtungen. Die Vorrichtung ist auch robuster, was insbesondere von Interesse für Versuchsmotorräder ist. Da die Rotationsachse außerhalb des Ansaugkanals ist, kann der die Rotationsposition des Drosselventils messende Sensor in einer einfachen Weise zusammengefügt werden, so dass eine sehr einfache und robuste Luftzuführvorrichtung bereitgestellt wird, welche durch eine integrierte Steuerung angetrieben werden kann.
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Besagte Drosselventilanordnung umfasst bevorzugt einen eine Aussparung aufzeigenden Drosselkörper, der sich quer von dem Luftansaugkanal erstreckt und zur Aufnahme von besagtem Drosselventil und zur Ermöglichung einer Bewegung des Drosselventils zwischen den besagten ersten und zweiten Positionen angepasst ist.
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Das Drosselventil kann ein im Wesentlichen flaches Blech sein, das sich entlang einer Ebene senkrecht zu der Rotationsachse erstreckt. Das reduziert die Größe der Aussparung, in welcher sich das Drosselventil bewegt.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist die Rotationsachse parallel zu der Luftstromrichtung innerhalb des besagten Luftansaugkanals. Dies verkürzt den Hub des Drosselventils über den Ansaugkanal. Alternativ kann die Rotationsachse relativ zu dieser Richtung mit einem Winkel kleiner als 40° geneigt sein. Das stellt eine Flexibilität zur Verbesserung der Gesamtgröße der Luftzuführvorrichtung bereit. Jeder Winkel zwischen 0 bis 40° kann geeignet sein, wie ein Winkel und kleiner 15°, insbesondere kleiner 5°.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Drosselventil an einer in die Aussparung eintretenden Welle befestigt. Solch eine Welle kann mit einem Drosselventilbetätiger, und bevorzugt mit einem Positionssensor verbunden sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Luftzuführvorrichtung ein Brennstoffeinspritzsystem zum Einspritzen von Brennstoff in den Luftansaugkanal. Solch eine Vorrichtung stellt denselben Service bereit wie ein traditioneller Vergaser. Daher ist eine Verbesserung einer Maschine, die mit einem traditionellen Vergaser ausgerüstet ist, vereinfacht.
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Gemäß weiterer Ausführungsformen kann die Luftzuführvorrichtung eine oder mehrere der folgenden Merkmale enthalten:
- – Ein Drosselbetätiger ist an einem Endbereich der Welle befestigt und/oder liegt außerhalb der Drosselkörper und/oder ist mit einem Drosselventilbetätiger über die Welle verbunden.
- – Ein Durchgangsloch ist bereitgestellt, das den gesamten Drosselkörper konzentrisch zu der Achse durchquert, und wobei die Welle in dem Durchgangsloch befestigt ist.
- – Der Sensor ist an dem anderen Endbereich der Welle befestigt und liegt außerhalb des Drosselkörpers.
- – Der Betätiger umfasst ein Drosselkabelhaltemittel und einen eine umlaufende Rille aufzeigenden Nockenbereich zur Aufnahme des Drosselkabels.
- – Die Luftzuführvorrichtung umfasst des Weiteren ein Brennstoffeinspritzsystem zum Einspritzen von Brennstoff in den Luftansaugkanal.
- – Das Brennstoffeinspritzsystem ist an der Drosselventilanordnung befestigt.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung auch Verbrennungsmaschinen oder Motorräder, vierrädrige Motorräder, Quadts, Seadoo oder Kartings, die solch eine Luftzuführvorrichtung umfassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Eigenschaften und Vorteile werden anhand der folgenden Beschreibung von verschiedenen Ausführungsformen, die als nicht limitierende Beispiele anzusehen sind, und den beigefügten Zeichnungen verständlich.
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In den Zeichnungen sind:
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1 und 2 zwei unterschiedliche perspektivische Ansichten einer Luftzuführvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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3 eine Explosionsansicht der Luftzuführvorrichtung der 1 und 2,
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4 und 5 jeweils Seitenansichten und Grundrisse der Luftzuführvorrichtung der 1,
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6 und 7 Querschnittsansichten jeweils entlang VI-VI und VII-VII, wie in 5 angedeutet,
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8 bis 10 teilperspektivische Ansichten der Luftzuführvorrichtung der 1, die in größerem Detail die Drosselventilanlage darstellen.
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In den unterschiedlichen Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die Luftzuführvorrichtung 1 umfasst ein Luftansaugmodul 3 mit einem Loch 2, das sich entlang eines Luftstroms parallel zur Richtung X zwischen einem Einlassabschnitt 3A und einem Auslassabschnitt 3B erstreckt. Das Loch 2 definiert einen Luftansaugkanal 2. Das Loch 2 kann zum Beispiel gerade oder venturi-förmig sein. Der Einlassabschnitt 3A kann mit einer Luftquelle verbunden sein, welche zum Beispiel Umgebungsluft oder mit oder ohne einen intermediären Luftfilter komprimierte Luft sein kann. Der Auslassabschnitt 3B ist zum Beispiel mit einer Verbrennungskammer einer Verbrennungsmaschine verbunden.
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Der Luftansaugkanal 2 weist eine Größe gemäß der Entwurfsparameter, wie zum Beispiel Luftflussrate auf, wird aber im Allgemeinen einen Durchmesser in dem Bereich von 14 bis 60 mm, zum Beispiel 39 mm, aufzeigen.
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Die äußere Umfangsoberfläche des Einlassabschnitts 3A und des Auslassabschnitts 3B können eine umlaufende Rille 7 aufzeigen, die zur Bereitstellung der Verbindung und dem Abdichten des Luftansaugmoduls 1 mit einem Anschluss, zum Beispiel einem Gummischlauch, angepasst ist. Die Rille 7 kann zum Beispiel ein umlaufender Einschnitt oder Leiste sein.
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Die Luftzuführvorrichtung 1 umfasst des Weiteren eine Drosselventilanordnung 5, die in dem Luftansaugkanal 2 zwischen dem Einlass- und Auslassluftabschnitt 3A, 3B liegend angeordnet ist.
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Wie deutlicher in den 3 bis 7 zu sehen, umfasst die Drosselventilanordnung 5 eine Drosselventilkörper 9, der ein Drosselventil 11 einschließt.
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Der Drosselventilkörper 9 umfasst einen Eingangsseitenkörper 9A und einen Ausgangsseitenkörper 9B, die jeweils mit den Einlass- und Auslassluftabschnitten 3A, 3B des Luftansaugmoduls 3 verbunden sind. Der Drosselventilkörper 9 ist zum Beispiel aus Aluminiummetall oder einer Aluminiumlegierung spritzgussgeformt.
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Die Einlass- und Auslassseitenkörper 9A, 9B weisen jeweils eine Öffnung 6 korrespondierend zu dem Loch 2 auf, das den Luftansaugkanal definiert. Der Drosselkörper 9 kann einstückig mit dem Luftansaugmodul 3 an der Öffnung 6 ausgebildet sein, wie dargestellt, oder aus demselben Block bearbeitete sein, oder kann mechanisch zueinander mit den entsprechenden Befestigungsmitteln angefügt sein.
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Der Einlassseitenabschnitt und der Auslassseitenabschnitt 9A, 9B des Drosselkörpers 9 sind mechanisch miteinander durch geeignete Befestigungsmittel 13A, z. B. Muttern und die die korrespondierenden Löcher 13 durchkreuzenden Bolzen 13A, befestigt, und können des Weiteren mit Flanschdichtungen an ihren auftreffenden Oberflächen ausgestattet sein.
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Der Drosselkörper 9 zeigt des Weiteren eine innere, im Wesentlichen flache Aussparung 15 auf, die sich im Wesentlichen entlang einer Ebene normal zu der Luftkanalrichtung X erstreckt. Z. B. kann die Aussparung 15 im Wesentlichen viertelkreisförmig sein. Die Aussparung 15 umschließt komplett die Öffnung 5 des Luftansaugkanales 2.
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Der Drosselkörper 9 umfasst des Weiteren innerhalb der Aussparung 15 auf einer und/oder der anderen Körperseite 9A, 9B eine ringförmige Ausnehmung oder ein Sackloch 17, das eine zentrale Achse 18 definiert. Die Achse 18 ist im Wesentlichen parallel zu der Luftkanalrichtung X.
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Des Weiteren ist ein Durchgangsloch 19 vorgesehen, das den gesamten Ventilkörper 9 konzentrisch zu der Achse 18 durchkreuzt. Das Durchgangsloch 19 ist im Durchmesser kleiner als die ringförmige Ausnehmung 17.
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Wie deutlicher in den 3 und 7 bis 10 dargestellt, ist das Drosselventil 11 von dem Drosselkörper 9 umschlossen, und insbesondere ist das Drosselventil 11 innerhalb des durch die Aussparung 15 definierten Raumes zwischen dem Einlassseitenkörper 9A und einer Auslassseitenkörper 9B angeordnet.
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Das Drosselventil 11 ist typischerweise aus Stahl hergestellt und stellt eine im Wesentlichen ebene eiförmige Form dar, die sich von einem breiteren Ventilbereich 11A, der eine Größe zum Abdecken der Öffnung 6 aufweist, und einen schmaleren Befestigungsbereich 11B erstreckt. Der Befestigungsbereich 11B umfasst des Weiteren einen Vorsprung, der eine Größe zur Rotationspassung innerhalb der ringförmigen Ausnehmung 17 des Drosselkörpers 9 aufweist. Das Drosselventil 11 ist aus einem dünnen Blech, z. B. 1 bis 2 mm, wie 2,7 mm hergestellt. Die Dicke des Drosselventils ist bevorzugt im Wesentlichen gleich zu der Tiefe der Aussparung 15, um Toleranzen zuzulassen.
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Die Drosselventilanordnung 5 umfasst des Weiteren eine Drosselwelle 21 mit einem zylindrischen Körper, der drehfest mit dem Drosselventil 11 über einen hervorstehenden Bereich 21A an dem Mittelbereich der Welle 21 befestigt ist. Der abstehende Bereich 21A ist an eine korrespondierende Schlüsselöffnung 11C angepasst, die an dem Rotationszentrum des Befestigungsbereiches 11B des Ventils 11 zentriert ist. Das Ventil 11 kann z. B. mit der Welle 21 durch Presspassung, Schweißen oder Adhäsionsmittel befestigt sein.
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Der abstehende Bereich 21A kann z. B. auch zwei parallele flache Seiten aufzeigen, um einen Rotationsschlupf zwischen dem Ventil 11 und der Welle 21 zu verhindern.
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Des Weiteren zeigt jeder Endpunkt der Ventilwelle 21 Endbereiche 21B, 21C auf, die für eine nichtrotierende Befestigung der Module, z. B. einem Ventil, einem Drosselbetätiger, einem Positionssensor oder noch weitere Tast- oder Betätigungsmittel angepasst ist.
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Bezug nehmend auf die 7 bis 10 ist gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform ein Drosselbetätiger 23 an dem Endbereich 21B der Welle 1 befestigt.
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Der Drosselbetätiger 23 kann einen an der Welle 21 befestigten Nockenbereich 23A aufzeigen. Der Nockenbereich 23A zeigt eine umlaufende Rille 23B auf, die zur Aufnahme z. B. eines mit einem durch einen Anwender betätigten Beschleunigungsgriff oder -pedal verbundenen Drosselkabels angepasst sein.
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Des Weiteren ist ein Drosselpositionssensor 31 an dem anderen Endbereich 21C der Welle 21 befestigt. In der vorliegend beschriebenen Ausführungsform bestimmt der Drosselpositionssensor 31 die Position der Drossel 11 über die Rotationsposition der Welle 21. Die durch den Positionssensor 31 generierten Signale können analog oder digital sein. Der Sensor 31 kann z. B. einen elektronischen Anschluss 31A zum Anschluss an eine Steuerung, z. B. eine Maschinenkontrolleinheit (ECU) auch als digitale Motorsteuerung (FADEC) bekannt, aufzeigen. Solche Rotationspositionssensoren 31 sind dem Fachmann bekannt und üblicherweise auf dem Markt erhältlich, z. B. unter dem Markennamen CTS.
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Die Welle 21 ist in dem Durchgangsloch 19 der Drosselventilanordnung 5 befestigt, so dass die Welle konzentrisch mit der Achse 18 ist. In dieser Position,
- – erstreckt sich die Welle 21 längsseitig entlang der X-Richtung innerhalb des Durchgangsloches 19,
- – das Drosselventil 11 ist so angeordnet, dass der Befestigungsbereich 11B in die ringförmige Ausnehmung 17 passt, um dadurch eine Rotationsbewegung des Ventils 11 innerhalb des Hohlraumes 15 um die Welle 21 zu ermöglichen,
- – die Drossel 11 ist mit der Welle 21 über den Befestigungsbereich 11B und den hervorstehenden Bereich 21A drehfest befestigt,
- – das Drosselventil wird bei Rotation von der Aussparung 15 umschlossen,
- – der Ventilbereich 11A des Drosselventilen 11 ist zwischen einer ersten Position („geschlossene Position”) (siehe 8) rotierbar, wobei das Drosselventil 11 im Wesentlichen die Öffnung 6 und den Luftansaugkanal 2 zum Luftdurchlass durch den selbigen schließt, und einer zweiten Position („offene Position”) (siehe 9), wobei das Drosselventil 11 die Öffnung 6 freigibt und der Luftansaugkanal 2 dadurch frei zum Luftdurchlass ist, rotierbar und
- – der Drosselbetätiger 23 und der Sensor 31 außenliegend zu dem Drosselkörper 9 positioniert sind.
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Bezug nehmend auf die 3 bis 5 und 7 kann eine Drehfeder 25 um die Welle 21 zwischen dem Drosselbetätiger 28 und dem Drosselkörper 9 angepasst sein, um den Drosselbetätiger 23 in einer Position zu halten, wobei das Ventil 11 in der geschlossenen Position oder einer im Wesentlichen geschlossenen Position ist, die einen Leerlauf der Maschine erlaubt.
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Gemäß einer beispielhaften Variante der vorliegenden Ausführungsform kann die Luftzuführvorrichtung des Weiteren ein Brennstoffeinspritzsystem 35 umfassen, das zum Einspritzen von Brennstoff in den Luftansaugkanal 2 angepasst ist. Das Brennstoffeinspritzsystem 35 umfasst ein elektronisches Steuermodul und einen korrespondierenden elektrischen Anschluss 37, und ist zur Steuerung des Volumens des Brennstoffes angepasst, das als Funktion des Volumens des Luftstromes durch den Luftansaugkanal 2 eingespritzt wird. Das Brennstoffeinspritzsystem 35 kann z. B. durch eine flussabwärts von dem Drosselventil 11 vorgesehene Öffnung 39 angeordnet sein.
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Brennstoffeinspritzsysteme per se sind bekannt und ein Fachmann wird leicht in der Lage sein, eine hierin beschriebene Luftzuführvorrichtung 1 mit einem entsprechenden Brennstoffeinspritzsystem 35, z. B. dem Delphi-Einspritzsystem M35-Mini-25384016-Sh3 oder Magneti Marelli Einspritzsystem IWP048 auszustatten.
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Die beschriebene Luftzuführvorrichtung funktioniert wie folgt.
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Die beschriebene Luftzuführvorrichtung 1 ist zwischen einem oder mehreren Luftaufnahmeventilen eines selbst ansaugenden oder aufgeladenen Verbrennungsmaschine und einer Luftquelle angeordnet.
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Die Luft fließt daher durch die Luftzuführvorrichtung 1 entlang des Luftansaugkanals 2 von dem Einlassbereich 3A zu dem Auslassbereich 3B, wobei die Drosselventilanordnung 5 passiert wird.
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Der Anwender, der eine Steuerung der von der Verbrennungsmaschine entwickelten Kraft durch die Steuerung der Luftmenge (Sauerstoff), die in die Maschine pro Maschinenhub eintritt, wünscht, betätigt z. B. das Fußpedal eines Kraftfahrzeuges oder den Handgriff eines Motorrades.
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Die Aktivierung des Fußpedals oder des Handgriffes induziert eine Rotation der Nocke 23A durch den Drosselbetätiger 23, welches in einer Rotation des Drosselventils 11 resultiert.
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Die Position des Drosselventils 11 in Bezug auf die Öffnung 6 des Luftansaugkanals 2 bestimmt den kleinsten Querschnittsbereich des Luftansaugkanals 2, welcher wiederum zu einer spezifischen Luftmasse oder -volumen korreliert, welche die Maschine in der Lage ist anzusaugen, um so die größte Kraft, die die Maschine generieren kann, zu bestimmen.
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Der Drosselpositionssensor 31 erkennt gleichzeitig die Position der Welle 21, um die Position des Drosselventils 11 zu bestimmen. Von der Position des Drosselventils ausgehend ist es möglich, die Masse des Luftstromes durch die Luftzuführvorrichtung 1 zu bestimmen. Diese Information der Rotationsposition kann zu der ECU kommuniziert werden, um die Brennstoffeinspritzung zu bestimmen, die für das Brennstoffeinspritzsystem 35 als Funktion der Maschinengeschwindigkeit, der Magerkeit des gewünschten Arbeitszykluss und anderen Faktoren erforderlich ist.
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Selbstverständlich ist die vorgehende Beschreibung eher beispielhaft als limitierend.
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Insbesondere kann die Luftzuführvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung einen elektronisch gesteuerten Drosselbetätiger 23 umfassen, der eher durch einen elektronischen Impuls als durch einen physikalischen Anschluss an ein Pedal oder Handgriff betätigt wird. Das ist allgemein unter Fly-by-wire bekannt.
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Des Weiteren muss die Luftzufuhrvorrichtung 1 nicht notwendigerweise ein Brennstoffeinspritzsystem 35 aufzeigen, welche woanders an eine Verbrennungsmaschine befestigt sein kann.
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Variationen und Modifikationen zu den offenbarten Beispielen können für den Fachmann offensichtlich sein, die nicht notwendigerweise von dem Gedanken dieser Erfindung abweichen. Der Umfang des rechtlichen dieser Erfindung gegebenen Schutzes kann nur durch das Studium der folgenden Ansprüche bestimmt werden.
