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Vorrichtung zum Zuführen von Atmosphärenluft in das
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Auslassystem von einem Verbrennungsmotor Die Erfindung betrifft eine
Vorrichtung zum Zuführen von Atmosphärenluft in das Auslassystem von einem Verbrennungsmotor
und insbesondere eine Verbesserung an derartigen Vorrichtungen, bei denen in das
Auslassystem unter der Wirkung von im Auslassystem erzeugten Auslassdruckpulsationen
zusätzliche Luft eingeführt wird.
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Bei mit einem Auslassystem versehenen Verbrennungsmotoren, bei denen
die nicht verbrannten Bestandteile der Abgase verbrannt werden, um an die Atmosphäre
gereinigte Abgase abzugeben, ist es bekannt, dem Auslassystem zusätzliche Luft zuzuführen,
um
die Verbrennung der nicht verbrannten Bestandteile im Abgas zu unterstützen. Diese
zusätzliche Luft wird allgemein als Sekundärluft bezeichnet,und dieser Ausdruck
wird auch nachfolgend verwendet. Dabei ist es üblich, Atmosphärenluft als Sekundärluft
intermittierend in das Auslassystem unter Vorsehen von einem Zungenabsperrventil
mit einem flexiblen Zungenelement einzuführen, das unter der Wirkung der im Auslassystem
hervorgerufenen Auslassdruckpulsationen betrieben wird.
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Dieses Zungenventil bereitet jedoch insofern Schwierigkeiten, als
eine ausreichende Menge an Sekundärluft nicht bei hohen Motordrehzahlen in das Auslassystem
eingeführt werden kann.
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Dies ist Folge der Beziehung zwischen der Eigenfrequenz des Zungenelementes
und der Frequenz der Auslassdruckpulsation bei hohen Motordrehzahlen. Wenn die Frequenz
der Auslassdruckpulsation nahe der Eigenfrequenz oder Resonanz frequenz des Zungenelementes
liegt, steigt die Phasendifferenz zwischen dem öffnungsvorgang des Zungenelementes
und der Auslassdruckpulsation an, wodurch eine Ansprechverzögerung des Zungenventils
bedingt ist.
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Wenn daher der positive Druck der Auslassdruckpulsation auf das Zungenventil
während der Öffnung des Zungenventils wirkt, tritt durch das Zungenventil eine Gegenströmung
der Abgase in die Atmosphäre auf. Daher nimmt die Menge an in das Auslassystem eingeführter
Sekundärluft erheblich ab und besteht die Gefahr, dass das Zungenventil bei den
hohen Abgastemperaturen thermisch geschädigt ist.
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Ein Hauptziel der Erfindung ist daher die Schaffung einer Sekundärluft-Zuführvorrichtung
mit einem verbesserten Zungenventil, mit dem eine ausreichende Menge an Sekundärluft
dem Auslassystem von einem Motor zugeführt werden kann, um wirksam die nicht verbrannten
Bestandteile in den Abgasen bei sämtlichen Motorbetriebsbedingungen, bei denen Sekundärluft
erforderlich
ist, zu verbrennen, ohne dass das Zungenventil der Gefahr einer thermischen Beschädigung
ausgesetzt wird.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Sekundärluft-Zufuhrvorrichtung
mit einem verbesserten Zungenventil, das ein Zungenelement mit einer Eigenfrequenz
in einem Bereich aufweist, bei dem es unter Motorbetriebsbedingungen, bei denen
die Zufuhr von Sekundärluft erforderlich ist, keiner Resonanz unterworfen ist.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung von einer :, Sekundärluft-Zufuhrvorrichtung
mit einem verbesserten Zungenventil, das ein Zungenelement mit einer Eigenfrequenz
im Bereich von 190 bis 300 Hz aufweist, so dass das Zungenventil unter Motorbetriebsbedingungen,
bei denen die Zufuhr von Sekundärluft erforderlich ist, nicht in Resonanz gerät
und somit eine ausreichende Menge an Sekundärluft das Auslasssystem von einem Motor
eingeführt wird, ohne dass das Zungenventil den hohen Abgastemperaturen ausgesetzt
ist.
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Erfindungsgemäss ist somit das Auslassystem von einem Sechszylinder-Hubkolben-Verbrennungsmotor
mit einem Sekundärluft-Zufuhrsystem ausgestattet, das aus einer Vielzahl von Zungenventilen
besteht, die in Fluidverbindung mit einem Auslassverteiler stehen. Das Zungenelement
von jedem Zungenventil hat eine Eigenfrequenz im Bereich von 190 bis 300 Hz.
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische quergeschnittene Ansicht von
einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäss aufgebauten Sekundärluft-Zufuhrvorrichtung,
Fig.
2 eine vertikal geschnittene Ansicht von einem in der Vorrichtung nach Fig. 1 verwendeten
Zungenventil, Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf zwei Zungenelemente des in
Fig. 2 gezeigten Ventils, Fig. 4 eine grafische Ansicht bezüglich des Zusammenhanges
zwischen der Temperaturerhöhung im Zungenventil und der Eigenfrequenz des Ventilzungenelementes
in Abhängigkeit von der Motordrehzahl, und Fig. 5 eine grafische Darstellung der
Rate an eingeführter Sekundärluft und der Eigenfrequenz des Ventilzungenelementes
in Abhängigkeit von der Motordrehzahl.
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In Fig. 1 der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform von einem
erfindungsgemässen Sekundärluft-Zufuhrsystem 10 in Verbindung mit einem Sechszylinder-Hubkolben-Verbrennungsmotor
12 gezeigt, der einen in üblicher Weise an einem nicht gezeigten Zylinderblock befestigten
Zylinderkopf 14 aufweist.
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Im Zylinderkopf 14 sind sechs Verbrennungskammern C1 bis C6 ausgebildet,
die den sechs im Zylinderkopf vorgesehenen Zylindern entsprechen. Ein Ansaugverteiler
16 ist fest an einer Seite des Zylinderkopfes 14 angebracht. Der Ansaugverteiler
46 hat sechs nicht näher gekennzeichnete Tangentialkrümmer die mit den sechs Verbrennungskammern
C1 bis C6 über im Zylinderkopf 14 ausgebildete Ansaugkanäle 18 verbunden ist. Das
Bezugszeichen 20 gibt die Anordnungsstelle von einem Vergaser zur Zufuhr eines Luftbrennstoffgemisches
in die Verbrennungskammern an.
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Ein Auslassverteiler 22 ist fest an der anderen Seite des Zylinderkopfes
14 angebracht. Der Auslassverteiler 22 hat drei Tangentialkrümmer . 22a, 22b und
22c, die mit den betreffenden drei gegabelten Auslasskanälen 23 verbunden sind.
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Wie dargestellt, wird jeder gabelförmige Auslasskanal 23 durch Kombination
von zwei Auslasskanälen von zwei benachbarten Verbrennungskammern, z.B. C1 und C2,
geschaffen, oder m.a.W. teilen sich zwei benachbarte Verbrennungskammern einen gabelförmigen
Auslasskanal 23. Die Krümmer 22a, 22b und 22c sind daher so ausgelegt, dass sie
über die gabelförmigen Auslasskanäle 23 mit einer ersten Gruppe Verbrennungskammern
C1 und C2, einer zweiten Gruppe Verbrennungskammern C3 und C4 und einer dritten
Gruppe Verbrennungskammern C5 und C6 verbindbar sind. Wie dargestellt, ist jeder
Tangentialkrümmer 22a oder 22b so angeordnet, dass der Abstand zwischen seinem einen
mit dem Zylinderkopf 14 verbundenen Ende und einem Auslassverteilerbereich, an dem
sich die Abzweigungen oder Krümmer verteilen, grösser als derjenige für den Krümmer
22c ist. Ferner sind die Krümmer 22a und 22b so ausgebildet, dass sie sich sanft
krümmen, so dass sie m.a.W. so gerade wie möglich ausgebildet sind.
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Die Sekundärluft-Zufuhrvorrichtung 10 besteht im vorliegenden Fall
aus drei Zungenventilen oder zungenartigen Absperrventilen 24, 26 und 28, wobei
die Zungenventile 24 und 26 in Fluidverbindung mit dem Krümmer a 22a nahe dem Zylinderkopf
14 über Sekundärluft-Einlasspassagen 30 bzw. 32 stehen. Das Zungenventil 28 steht
über eine Sekundärluft-Einlasspåssage 34 in Fluidverbindung mit dem Auslassverteilerbereich,
an dem sich die Krümmer 22a, 22b und 22c abzweigen. Jedes Zungenventil ist so angeordnet
und ausgelegt, dass es Atmosphärenluft als Sekundärluft in den Auslassverteiler
entsprechend der im Auslassverteiler 22 hervorgerufenen Auslassdruckpulsation einführen
kann.
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Fig. 2 und 3 zeigen im Detail den Aufbau von jedem Zungenventil 24,
26 und 28. Wie deutlich in den Figuren zu sehen ist, weist jedes Zungenventil ein
Gehäuse 36 auf, das aus einer Bodenplatte 38 und einer Abdeckung 40 gebildet ist,
die durch nicht näher gekennzeichnete Schrauben und Muttern miteinander verbunden
sind. Die Abdeckung 40 ist mit einem Rohr 40a versehen,
das mit
der Sekundärluft-Einlasspassage 30, 32 oder 34 verbunden werden kann. Die Bodenplatte
38 weist eine Öffnung 38a auf, über die der Innenraum des Gehäuses mit der Atmosphärenluft
in Verbindung steht. Ein Ventilbasiselement 42 ist an der inneren Oberfläche des
Gehäuses 36 über ein Dichtungselement 44 befestigt, so dass die Luft nur durch eine
im Basiselement 42 ausgebildete Öffnung 42a einströmen kann.
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Das Basiselement 42 besitzt einen Ventilsitz 42b aus einem elastomeren
Material, der die Öffnung 42a umgibt. Die beiden Zungenelemente oder flexiblen Ventilblätter
46a und 46b sind an ihren einen Enden mit der oberen Oberfläche des Basiselementes
42 über ein Paar Schrauben 48a bzw. 48b gemäss Fig. 2 verbunden. Die beiden Zungenelemente
46a und 46b sind so angeordnet, dass ihre nicht gekennzeichneten Längsachsen parallel
zueinander liegen. Somit sind die beiden Zungenelemente 46a und 46b an ihren einen
Enden integral miteinander verbunden. Jedes Zungenelement 46a oder 46b ist so ausgebildet-und
angeordnet, dass es auf der Ventilsitz 42b aufliegen und zwischen dem Ventilsitz
42b und einem Anschlagelement 50 Bewegungen vornehmen kann. Dieses Anschlagelement
50 ist mit seinem einen Ende am Basiselement 42 mit dem Zungenelement verbunden.
Somit ist das Zungenelement 46a so angeordnet, dass es die Öffnung 42a entsprechend
dem Druckunterschied zwischen der Atmosphärenluft und einer durch die innere Oberfläche
der Abdeckung 40 gebildeten Kammer C freigeben oder verschliessen kann. Das Zungenelement
46b arbeitet ähnlich wie das Zungenelement 46a.
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Wenn bei einem derartig ausgelegten Zungenventil der Druck in der
Kammer C geringer als der Atmosphärendruck ist, bewegt sich das Zungenelement in
der Zeichnung nach oben, wodurch eine Verbindung zwischen der Kammer C und der Atmosphärenluft
zustande kommt und daher Atmosphärenluft in den Auslassverteiler 22 über die Passage
30, 32 oder 34 eingeführt wird.
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Wenn dagegen der Druck in der Kammer C höher als der Atmosphärendruck
ist, liegt das Zungenelement 46a gemäss Fig. 2 auf dem Sitz 42b auf und sperrt die
Verbindung zwischen Kammer C und Atmosphärenluft ab, so dass ein Austritt von Abgas
über die in der Bodenplatte 38 ausgebildete Öffnung 38a verhindert wird.
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Es versteht sich, dass das ZungenelemJr.L 4Gb gemeinsam mit dem Zungenelement
46a bewegt wird.
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Erfindungsgemäss wird die Eigenfrequenz des Zungenelementes 46 von
jedem Zungenventil 24, 26 oder 28 so gewählt, dass sie in einem Bereich von 190
bis 300 Hz liegt, um die Wirksamkeit der Sekundärluft-Zuführung zu verbessern und
eine übermässige Erwärmung des Zungenventils zu vermeiden.
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Grundsätzlich erhöht sich die Frequenz der Auslassdruckpulsation mit
der Motordrehzahl und der Zylinderanzahl. Das bedeutet, dass die Frequenz bei einem
Sechszylindermotor z.B. 1,5 mal grösser als bei einem Vierzylindermotor bei gleicher
Drehzahl ist. Bei mit konventionellen Zungenventilen ausgestatteten Motoren wurde
die Resonanzerscheinung am Zungenelement selbst bei normaler Motorbetriebsbedingung,
wo Sekundärluft erforderlich ist, nicht in Betracht gezogen und daher ein Zungenelement
mit geringer Steifigkeit und einer niedrigen Eigenfrequenz vorgesehen, um die Öffnungsweite
des Zungenventils zu erhöhen. Das vorgenannte Resonanzphänomen tritt natürlich ein,
wenn die Frequenz der Auslassdruckpulsation nahe bei der Eigenfrequenz des Zungenelementes
am Zungenventil liegt. Bei solchen konventionellen Zungenventilen ist jedoch die
Ansprechzeit des Zungenelementes erheblich verzögert,so daß z.B.eine Phasendifferenz
von 900 zwischen der Oszillation des Zungenelementes und der Auslassdruckpulsation
am Resonanzpunkt vorliegt, bei dem die Frequenz des Auslassdruckpulsation die Eigenfrequenz
des Zungenelementes erreicht, wie dies nachfolgend näher erläutert wird. Infolge
davon wird eine Abgasgegenströmung durch das Zungenventil in die Atmosphäre
hervorgerufen
und daher eine unzureichende Menge an Sekundärluft zugeführt und das Zungenventil
der hohen Temperatur der Abgase ausgesetzt.
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Wenn dagegen die konventionellen Zungenventile so ausgelegt sind,
dass sie nur das vorgenannte Resonanzphänomen unter normaler Motorbetriebsbedingung
verhindern, muss die Steifheit des Zungenelementes heraufgesetzt werden, um die
Eigenfrequenz des Zungenelementes am Zungenventil zu erhöhen. Dies hat zur Folge,
dass der Bewegungsbetrag oder die Wegstrecke des Zungenelementes beträchtlich abnimmt
und daher die Öffnungsfläche des Zungenventils verkleinert wird. Deshalb wird die
Zufuhrmenge an Sekundärluft erheblich verringert, obgleich eine übermässige Erwärmung
des Zungenventils nicht eintritt.
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Erfindungsgemäss lassen sich jedoch die mit konventionellen Zungenventile
verbundenen vorgenannten Schwierigkeiten dadurch beseitigen, dass man die Eigenfrequenz
des Zungenelementes des Zungenventils auf den vorerwähnten Bereich von 190 bis 300
Hz einstellt.
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Nachfolgend wird auf die Amplitude des Ventilzungenelementes und die
Phasendifferenz zwischen der Oszillation des Zungenelementes und der Auslassdruckpulsation
eingegangen. Die Bewegung des Zungenelementes kann im Prinzip als Zwangsoszillation
betrachtet werden, auf die eine viskose Dämpfung einwirkt, so dass das Zungenelement
der folgenden Bewegungsgleichung folgt: mx x cx + kx = Po cosWt t .... (1) darin
bedeuten m: Masse, c: Dämpfungskoeffizient, k: Federkonstante, W: Frequenz der äusseren
Kraft (Auslassdruckpulsation), Po: Belastung (Amplitude der äusseren Kraft), x =
d²x und x = dx .
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dt² dt
Aus der Gleichung (1) ergibt sich folgende
Gleichung: x = xo cos ( #t - #) .... (2) worin g die Phasendifferenz zwischen der
Oszillation des Zungenventils und der Auslassdruckpulsation bedeutet.
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Daher ist Amplitude
tan = 2## (4) l - #² Die Abbiegung des Zungenelementes unter der Last Po beträgt:
st = Po/k das Frequenzverhältnis: X = #/#o(#o : Eigenfrequenz des Zungenelementes)
0! Frequenz der viskosen Dämpfung: γ = C/Cc kritischer Dämpfungskoeffizient:
Eigen frequenz des Zungenelementes:
Die Amplitude des Zungenelementes und die Phasendifferenz zwischen der Oszillation
des Zungenelementes und der Auslassdruckpulsation ergeben sich wie folgt bei W =
#o wird A= 1 und 0 X0 = x25; ...... (3)' (die Amplitude nimmt zu, wenn der Viskositätskoeffizient
abnimmt)
tanb = 2y - , Phasendifferenz g = 0 Daraus folgt, dass
trotz Erhöhung der Amplitude des Zungenelementes am Resonanzpunkt die Phasendifferenz
zwischen der Oszillation des Zungenelementes und der Auslassdruckpulsation ansteigt.
Daher tritt am Resonanzpunkt eine Abgasgegenströmung durch das Zungenventil in die
Atmosphäre ein.
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Dies führt zu einer erheblichen Verschlechterung der Sekundärluft-Zufuhr
und zu einer wärmebedingten Beschädigung des Zungenventils.
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Fig. 4 zeigt den Zusammenhang zwischen der Eigenfrequenz ( SO) des
Ventilzungenelementes und der Temperaturerhöhung im Zungenventil in Abhängigkeit
von der Motordrehzahl.Die in Fig. 4 angegebenen Temperaturen wurden unter allmählicher
Erhöhung der Drehzahl bei Vollast an einem Sechszylinder-In-Line-Hubkolbenmotor
mit einer-Verdrängung von 2 1 und einem Verdichtungsverhältnis von 8,6 gemessen.
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Nach Fig. 4 erhöht sich bei einem Zungenelement mit einer Eigenfrequenz
von 150 Hz die Maximaltemperatur auf 220 bis 2300C. Bei einem Zungenelement mit
einer Eigenfrequenz im erfindungsgemässen Bereich von 190 bis 300 Hz jedoch beträgt
die maximale Temperatur etwa 1000C und liegt damit auf einem Wert, bei dem am Zungenventil
keine thermische Schädigung zu erwarten ist. Bei einem Zungenelement mit einer Eigenfrequenz
von mehr als 300 Hz steigt die Temperatur des Zungenventils weniger hoch an, doch
wird die Wirksamkeit der Sekundärluft-Zufuhr erheblich herabgesetzt, da die Amplitude
oder der Bewegungsbetrag des Ventilzungenelementes,wie nachfolgend in Verbindung
mit Fig. 5 erläutert, abnimmt. Daher eignet sich
ein Zungenelement
mit einer Eigenfrequenz von mehr als 300 Hz nicht für das Zungenventil.
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Fig. 5 zeigt den Zusammenhang zwischen der Sekundärluft-Zufuhr rate
und der Eigenfrequenz ((d ) des Ventilzungenelementes in 0 Abhängigkeit von der
Motordrehzahl. Die Sekundärluft-Zufuhrrate wurde unter allmählicher Erhöhung der
Motordrehzahl bei Vollast an dem gleichen Motor wie bei Fig. 4 gemessen.
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Die Sekundärluft-Zufuhrrate ist ein Wert, der sich aus (Ansaugluftmenge
+ Sekundärluftmenge) / Ansaugluftmenge ergibt.
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Aus Fig. 5 geht hervor, dass die Sekundärluft-Zufuhrrate - einen maximalen
Wert bei einer niedrigen Eigenfrequenz des Zungenelementes annimmt. Bei z.B. einem
Zungenelement mit einer Eigenfrequenz von 150 Hz wurde jedoch die Sekundärluft-Zufuhrrate
bei Motordrehzahlen zwischen 2600 und 2800 U/min , bei denen Sekundärluft noch erforderlich
war, erheblich herabgesetzt. Dies ist Folge des Umstandes, dass die Auslassdruckpulsation
nahe am Resonanzpunkt oder der Eigenfrequenz des Ventilzungenelementes liegt. Bei
z.B. einem Zungenelement mit einer Eigenfrequenz von 250 Hz ist der Maximalwert
der Sekundärluft-Zufuhrrate geringer als der bei einem Zungenelement mit einer Eigenfrequenz
von 150 Hz, doch wird die Sekundärluft-Zufuhrrate selbst bei hohen Motordrehzahlen
nicht so erheblich herabgesetzt. Dies ergibt sich aus dem Umstand, dass die Resonanzerscheinung
des Zungenelementes nicht so leicht in dem erfindungsgemässen Eigen frequenzbereich
auftritt. Durch Vorsehen.eines Zungenelementes mit dem erfindungsgemässen Eigenfrequenzbereich
kann daher Sekundärluft in nahezu konstanter Zufuhrrate bei normalem Motorarbeitsbereich
zugeführt und somit eine ständige Abgas-Emissionssteuerung erzielt werden. Wie dargestellt,
ist mit einem Zungenelement von einer Eigenfrequenz von mehr als 300 Hz eine Verkleinerung
der absoluten Menge an Sekundärluft verbunden,
so dass die erforderlichen
Sekundärluftraten häufig nicht vorliegen.
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Daraus folgt, dass es besonders wirksam ist, die Eigenfrequenz des
Zungenelementes in dem erfindungsgemässen Bereich, d.h.
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von 190 bis 300 Hz zu wählen, um die Wirksamkeit der Sekundärlufteinführung
zu verbessern und eine thermische Beschädigung des Zungenventils zu verhindern.
Vorzugsweise wird die Eigenfrequenz des Zungenelementes in einem Bereich von 190
bis 250 Hz gewählt, um bei niedrigen Motordrehzahlen und während des Motorleerlaufes
eine ausreichende Menge an Sekundärluft vorzusehen,
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