DE3790179C2 - Ansaugkanalanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ansaugkanalanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es wäre wünschenswert daß Luft die in einen Brennraum eines Ver­ brennungsmotors eingesaugt wird, geeignet verwirbelt wird, um die Vermischung von Luft mit Brennstoff zu fördern. Dabei soll bei hoher Last eine möglichst geringe Verwirbelung erfolgen, damit eine möglichst verlustfreie Einströmung der Luft möglich ist. Aufgrund der großen Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich eine ausreichende Vermischung von Brennstoff und Luft. Bei geringer Last hingegen sollte eine möglichst starke Verwirbelung erfolgen.

Aus der JP-Gbm-OS 142 227 ist eine Ansaugkanalanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 bekannt bei der der Ansaugka­ nal einen, bezogen auf die Zylinderaxialrichtung brennraumseitigen wirbelerzeugenden Abschnitt und einen brennraumentfernteren wirbel­ freien Abschnitt umfaßt, wobei bei geringer Motorbelastung ein Wirbel in der Ansaugluft erzeugt wird, um die Vermischung der Ansaugluft mit Brennstoff zu fördern und dadurch den Wirkungsgrad der Verbrennung zu verbessern. Bei höherer Motorbelastung wird ein vorhandenes Ab­ sperrelement geöffnet, wodurch die Ansaugluft im wesentlichen durch den brennraumentfernteren wirbelfreien Abschnitt strömt und dadurch größ­ tenteils wirbelfrei in den Brennraum gelangt. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß der bei geringer Last gebildete Wirbel einen weiten Wirbel­ durchmesser aufweist und damit nur eine geringe Verwirbelung erzielbar ist, da der wirbelerzeugenden Bereich durch einen in die Kanalwandung eingelassene, schräg zur Hauptströmungsrichtung verlaufende Nut gebil­ det ist.

Die US 4 398 511 offenbart eine Ansaugkanalanordnung, bei der ein spi­ ralförmig verlaufender Ansaugkanal vorhanden ist, dessen Querschnitt durch eine bewegbare Klappe verstellbar ist. Bei dieser Anordnung ist im Vollastbereich aufgrund der vorgegebenen Kanalgeometrie keine ver­ wirbelungsarme Einströmung möglich.

Die DE 30 39 774 A1 offenbart eine Ansaugkanalanordnung, bei der eine Klappe in den Ansaugkanal bewegbar ist, so daß im Bereich geringer Last eine exzentrische Anströmung der Ventilöffnung erzielt wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine gattungsge­ mäße Ansaugkanalanordnung derart zu verbessern, daß bei niedriger Last bzw. Drehzahl eine verbesserte Verwirbelung erzielbar ist, was eine verbesserte Durchmischung der Ansaugluft mit dem Brennstoff und damit einen verbesserten Wirkungsgrad im Teillastbereich bewirken soll.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß durch die in die Kanalwandung eingelassene spiralförmige Nut eine verbesserte Wirbelbildung mit einem kleineren Wirbeldurchmesser erzielbar ist, der im wesentlichen dem Ventildurchmesser entspricht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Ansaugkanal einer erfindungs­ gemäßen Ansaugkanalanordnung.

Die Fig. 3(a), (b) und (c) sind jeweils eine Seitenansicht, eine Aufsicht und eine perspektivische Ansicht, die die Form des Ansaugkanales der erfindungsgemäßen Ansaugkanalanordnung darstellen.

Die Fig. 4(a), (b), (c), (d), (e), (f), (g), (h) und (i) sind Schnittansichten längs der Linien A-A, B-B, C-C, J-D, K-E, L-F, M-G, N-H und O-I in Fig. 3(b).

Die Fig. 5, 6 und 7 zeigen eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die Fig. 8, 9 und 10 zeigen die Gestalt verschiedener Absperrelemente.

Die Fig. 11 und 12 stellen eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.

Die Fig. 13(a) und (b) zeigen eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die Fig. 14(a) und (b) zeigen Modifikationen der ersten bzw. der zweiten Ausführungsform.

Die Fig. 15 und 16 zeigen eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine andere Form des in der ersten Ausführungsform verwendeten Öffnungs- und Schließ­ mechanismus darstellt.

Die Fig. 17, 18(a), (b), (c), (d) und 19(a), (b), (c), (d) zeigen eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung, die eine weitere Form des in der ersten Ausführungs­ form verwendeten Öffnungs- und Schließmechanismus dar­ stellt.

Die Fig. 20, 21 und 22 zeigen eine sechste Ausführungsform der Erfindung, die eine weitere Form des in der ersten Aus­ führungsform verwendeten Öffnungs- und Schließmechanismus darstellt.

Eine erste Ausführungsform der Ansaugkanalanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun im Detail mit Bezug zu der Zeichnung beschrieben.

Mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 ist 1 ein Zylinderblock, 2 ein Kolben, der im Zylinderblock eine hin- und hergehende Bewegung ausführt, 3 ein Zylinderkopf, der am Zylinderblock 1 fest angebracht ist, 5 ein Brennraum, der zwischen dem Kolben 2 und dem Zylinderkopf 3 gebildet wird, 7 ein Einlaß­ ventil, 9 ein Ansaugkanal und 11 ein Ansaugkrümmer, der am Ansaugkanal 9 befestigt ist.

Eine (nicht gezeigte) Zündkerze ist im Brennraum 5 angeord­ net und eine Drosselklappe (nicht gezeigt) befindet sich in Strömungsrichtung oberhalb des Ansaugkrümmers 11, um die Menge an Ansaugluft zu steuern.

Die Form des Ansaugkanales 9 ist in den Fig. 3(a), (b), (c) und den Fig. 4(a), (b), (c), (d), (e), (f), (g), (h) und (i) schematisch gezeigt.

Wie in der Fig. 3 dargestellt, ist der Ansaugkanal 9 aus zwei Abschnitten zusammengesetzt, die einstückig zusammen­ gefaßt sind, wobei ein gerader Abschnitt 13 eine obere Hälfte des Ansaugkanales 9 und ein schraubenförmiger Ab­ schnitt 15 eine untere Hälfte des Ansaugkanales 9 bilden, wenn ein Schnitt längs der Strömung der Ansaugluft be­ trachtet wird. Wie durch die Mittellinie a des Strömungs­ pfades in der Fig. 3(b) dargestellt, neigt sich der gerade Abschnitt 13 in einer gebogenen Form von der Seite des Zylinderkopfes 3 zum Brennraum 5, so daß Ansaugluft fast direkt von oben in den Brennraum 5 strömt, ohne daß sie von starken Turbulenzen begleitet wird. Andererseits ist, wie durch die Mittellinie b des Strömungspfades in Fig. 3(b) darge­ stellt, der schraubenförmige Abschnitt 15 aus einer schraubenförmigen Kammer 15a, die um das Einlaßventil 7 ausgebildet ist, und einem linearen Abschnitt 15b zusammen­ gesetzt, der tangential mit der schraubenförmigen Kammer 15a verbunden ist, so daß die Ansaugluft vom linearen Abschnitt 15b tangential in die schraubenförmige Kammer 15a strömt und der Ansaugluft eine starke Turbulenz erteilt wird, während sie um das Einlaßventil 7 in der Form eines Wirbels in den Brennraum 5 strömt.

Die Querschnittsform des Ansaugkanales 9 wird genauer mit Bezug auf die Fig. 4(a), (b), (c), (d), (e), (f), (g), (h) und (i) beschrieben, wobei eine Achse Z (die Mittelachse des Einlaßventils 7) und eine Oberfläche Q (die untere Fläche des Zylinderkopfes 3), wie in der Fig. 3 gezeigt, als Be­ zugsfaktoren verwendet werden. Beispielsweise hat der Ein­ laßabschnitt des Ansaugkanales 9, der in der Fig. 4(a) gezeigt ist, eine rechteckige Querschnittsform von ungefähr 30 mm×30 mm, und der gerade Abschnitt 13 und der lineare Abschnitt 15b des schraubenförmigen Abschnitts 15 sind in der oberen Hälfte bzw. der unteren Hälfte der Querschnitts­ form des Einlaßabschnittes des Ansaugkanales 9 angeordnet. In dem vom Einlaßabschnitt des Ansaugkanales 9 stromabwärts gelegenen Gebiet sind der gerade Abschnitt 13 und die schraubenförmige Kammer 15a und der lineare Abschnitt 15b des schraubenförmigen Abschnitts 15 in der oberen Hälfte bzw. der unteren Hälfte der jeweils in den Fig. 4(b) bis 4(i) gezeigten Querschnittsformen ausgebildet, sie stoßen an einer Stelle in der Umgebung des Einlaßventiles 7 zusammen.

Als nächstes wird ein Absperrelement und ein Öffnungs- und Schließmechanismus für das Absperrelement zur Steuerung des Durchflusses der Ansaugluft in den Ansaugkanal 9 mit Bezug auf die Fig. 5 bis 10 beschrieben.

Angrenzend an das stromabwärts gelegene Ende des Ansaug­ krümmers 11, der am Zylinderkopf 3 angebracht ist, um mit dem Ansaugkanal 9 in Verbindung zu stehen, ist ein Absperr­ element 17 angeordnet, um eine Ansaugkrümmer-Durchgangs­ öffnung 20, die mit dem Ansaugkanal 9 in Verbindung steht, zu öffnen und zu schließen. Dieses Absperrelement 17 ist so geformt, daß es, wenn es vollständig geschlossen ist, im wesentlichen nur die obere Hälfte des Ansaugkanales 9 ver­ schließt und eine Öffnung 19 in der unteren Hälfte des Ansaugkanales 9 offen läßt. Die Höhe l dieser Öffnung ist vorzugsweise zum Beispiel etwa 5 bis 15 mm oder etwa 1/2 bis 1/6 der Höhe der Ansaugkrümmer-Durchgangs­ öffnung 20 oder des Ansaugkanals 9. Dieser Wert ist so gewählt, um ein Wirbelverhältnis von etwa 5 zu ergeben, bei dem ein verbesserter Wirkungsgrad der Verbrennung experi­ mentell beobachtet wurde, wenn der Motor gering belastet ist, insbesondere wenn der Motor im Leerlauf läuft. Die Bezeichnung "Wirbelverhältnis" wird hier verwendet, um die Anzahl der Wirbel anzuzeigen, die in der Ansaugluft erzeugt werden, die dem Zylinder pro Ansaugtakt zugeführt wird.

Das Absperrelement ist schwenkbar gelagert, um den Ansaug­ kanal 9 wie in der Fig. 8 gezeigt zu öffnen und zu schlie­ ßen, und sein vorderes Ende 17a ist zu der stromabwärts gerichteten Seite der Richtung der Ansaugluftströmung geneigt. Wenn dieses Absperrelement in einem Winkel u geneigt ist und sich in seiner vollständig geschlossenen Stellung befindet, weist sein vorderes Ende 17a einen Winkel α (u < α) zu einer Achse X auf, die parallel zur Strömungs­ richtung der Ansaugluft ist, mit dem Ergebnis, daß der Widerstand gegen den Fluß der Ansaugluft nicht erhöht ist. Der Neigungswinkel u des Absperrelementes 17 kann somit, wenn die Höhe der Öffnung 19 gleich l ist, groß gemacht werden, so daß die Länge des Absperrelementes 17 nicht groß zu sein braucht und die Form des Ansaugkanales 9 nicht eingeschränkt ist.

Ein anderes, in der Fig. 9 gezeigtes Absperrelement 18 ist schwenkbar zum Öffnen und Schließen des Ansaugkanales 9 gelagert, und sein vorderes Ende 18a ist in eine bogenför­ mige Gestalt zu der stromabwärts gerichteten Seite der Richtung der Ansaugluftströmung gebogen. Wenn dieses Ab­ sperrelement 18 in einem Winkel u geneigt ist, wenn es sich in seiner vollständig geschlossenen Stellung befindet, ist der Winkel α einer tangentialen Linie am vorderen Ende 18a relativ zu einer Achse X, die parallel zu der Strömungsrich­ tung der Ansaugluft ist, kleiner als u, so daß die Ansaug­ luft glatt den Bogen entlangströmen kann. Der Neigungswinkel u des Absperrelementes 18 kann daher, wenn die Höhe der Öffnung 19l gewählt ist, groß gemacht werden, so daß die Länge des Absperrelementes 18 nicht groß zu sein braucht und die Gestalt des Ansaugkanales 9 nicht einge­ schränkt ist.

Ein in der Fig. 10 gezeigtes Absperrelement 16 ist so gela­ gert, daß es in den Ansaugkanal 9 eingeschoben und daraus herausgezogen werden kann, und sein vorderes Ende 16a hat eine der Strömung zugewandte Oberfläche, die in einer bogen­ förmigen Gestalt ausgeführt und zu der stromabwärts gerich­ teten Seite der Richtung der Ansaugluftströmung geneigt ist. Dieses Absperrelement 16 zur Wirbelsteuerung hat eine Nei­ gung eines Winkels α zwischen einer tangentialen Linie an seinem bogenförmigen vorderen Ende 16a und einer Achse X, die parallel zur Strömungsrichtung der Ansaugluft ist, so daß der Strömung der Ansaugluft nur ein kleiner Widerstand entgegengesetzt wird.

In den oben beschriebenen Ausführungsformen ist der Winkel α vorzugsweise nicht größer als 30°. In den Fig. 8 und 9 bezeichnet das Bezugszeichen 3a eine Nut zur Aufnahme des vorderen Endes 17a bzw. 18a der Absperrelemente 17 und 18, wenn die Absperrelemente 17 und 18 vollständig geöffnet sind.

In den in den Fig. 8 und 9 gezeigten Anordnungen kann der Widerstand gegen den Fluß der Ansaugluft verringert werden, ohne daß die Gesamtlänge der Absperrelemente 17 und 18 ver­ größert wird. Auch kann in der in der Fig. 10 gezeigten Anordnung der Widerstand gegen den Durchfluß der Ansaugluft durch die kompakte Gestalt des Absperrelementes 16 verrin­ gert werden, die nicht durch die Form des Ansaugkanales 9 eingeschränkt ist.

Wie in der Fig. 5 gezeigt, ist im Ansaugkanal 9 der spiral­ förmige Abschnitt 15 vorgesehen. Weiter ist das Absperr­ element 17 dem Ansaugkanal 9 zugeordnet, so daß ein gerad­ liniger Fluß der Ansaugluft zu und in den Brennraum 5 unter­ brochen wird. Dieses Absperrelement 17 ist an seinem Fußende an einem oberen Teil des Ansaugkanales 9 schwenkbar aufge­ hängt. Das Absperrelement 17, das als ein wirbelbildendes Absperrelement wirkt, arbeitet innerhalb eines Bereiches, in dem der Durchflußkoeffizient keine abrupten Änderungen zeigt, und sein vorderes Ende befindet sich an einer Stelle angrenzend an eine Verlängerung des Einlasses des schrauben­ förmigen Abschnitts 15, wenn sich das Absperrelement 17 in der Stellung befindet, in der ein geradliniger Durchfluß der Ansaugluft unterbrochen wird. Das heißt, daß in der darge­ stellten Ausführungsform die Länge und Anbringungsstelle des Absperrelementes 17 so bestimmt sind, daß die beiden obenge­ nannten Bedingungen erfüllt sind.

Es wird nun der Grund beschrieben, warum das Absperrelement 17 innerhalb des Bereiches betrieben wird, in dem der Durch­ flußkoeffizient keine abrupten Änderungen zeigt. Dies beruht darauf, daß, wenn der Neigungswinkel des Absperrelementes 17 bezüglich der oberen Wandfläche des Ansaugkanales 9 so ge­ wählt ist, daß er größer als ein vorbestimmter Wert ist, dies Anlaß für eine abrupte Änderung im Durchflußkoeffizient ist, woraus sich ein Verlust im Brennstoffverbrauch ergibt.

Nach einem Experiment ist der Neigungswinkel, der Anlaß zu einer solchen abrupten Änderung gibt, gleich 30°. Der maxi­ male Neigungswinkel α des vorderen Endes 17a des Absperr­ elementes 17 ist daher vorzugsweise kleiner als 30°, insbesondere kleiner als 20°.

Das Absperrelement 17 wird durch einen Absperrelement-An­ triebsmechanismus geöffnet und geschlossen, der später be­ schrieben wird. Dieser Absperrelement-Antriebsmechanismus wird über ein Steuersignal angesteuert, das von einem Rechner (später noch beschrieben) zugeführt wird, der mit verschiedenen Sensoren einschließlich eines Fahrzeugge­ schwindigkeitssensors, der die Fahrzeuggeschwindigkeit fest­ stellt, einem Motordrehzahlsensor, der die Drehzahl des Motors feststellt, und einem Drosselklappenöffnungssensor oder einem Ansaugkrümmerdrucksensor verbunden ist.

Wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt, wird der Mechanismus zum Öffnen und Schließen der Absperrelemente 17 durch Wellen 21a und 21b, einen Hebel 25 und einen Vakuummotor 27 gebildet. Die Ansaugkrümmer-Durchgangsöffnung 20 des Ansaugkrümmers 11 steht jeweils mit den Ansaugkanälen 9 einer Anzahl von Brennräumen (vier in der Fig. 6) in Verbindung. Die Wellen 21a und 21b sind am oberen Ende der Absperrelemente 17 befestigt, die jeweils in den aneinander angrenzenden beiden Ansaugkrümmer-Durchgangsöffnungen 20 angeordnet sind, und erstrecken sich durch den Ansaugkrümmer. Diese Wellen 21a und 21b sind miteinander durch ein Verbindungselement 23 in der Mitte des Ansaugkrümmers 11 verbunden, und der Hebel 25 ist am freien Ende der Welle 21a befestigt. Die Verbindungs­ stellen zwischen den Wellen 21a, 21b und den Absperrele­ menten 17 befinden sich in einer Ausnehmung 22, die an der stromabwärts gelegenen Endfläche des Ansaugkrümmers 11 aus­ gebildet ist. Der Vakuummotor 27 ist durch eine Membran 29, an der ein mit dem Hebel 25 verbundener Stab 28 angebracht ist, in zwei Kammern 31 und 33 aufgeteilt. Eine Rückzugfeder 35, die eine Zugkraft ausübt, ist in der Kammer 31 des Vakuummotors 27 angeordnet, um die innere Bodenfläche des Vakuummotors 27 mit der Membran 29 zu verbinden, und die andere Kammer 33 steht mit der Ansaugkrümmer-Durchgangs­ öffnung 20 in Verbindung, so daß ein Unterdruck im Ansaug­ krümmer dieser Kammer 33 mitgeteilt wird.

Die wirksame Zugkraft der Rückzugfeder 35 ist vorzugsweise derart, daß die Feder 35 die Absperrelemente 17 in die vollständig offene Stellung drängt, wenn der Druck im Ansaugkrümmer, der durch das Öffnen/Schließen der (nicht gezeigten) Drosselklappe entsteht, sich um etwa 13 bis 26 kPa verringert. Wenn daher der so entstandene Unterdruck im Ansaug­ krümmer aufgrund eines Fahrbetriebes mit großer Belastung niedrig wird, werden die Absperrelemente 17 durch die Feder­ kraft der Rückzugfeder 35 geöffnet.

Die Fig. 7 zeigt die Bereiche für vollständiges Öffnen und vollständiges Schließen des Absperrelementes 17, wobei es einen Übergangsbereich gibt, der eine Übergangsperiode zwischen dem vollständig offenen Bereich und dem vollständig geschlossenen Bereich des Absperrelementes 17 anzeigt.

Es wird nun die Arbeitsweise des Absperrelement-Antriebs­ mechanismusses mit dem obigen Aufbau beschrieben. Wenn der Motor mit einer geringen Last betrieben wird, ist der Ansaugkrümmer-Unterdruck groß, und dieser Unterdruck liegt in der Kammer 33 des Vakuummotors 27 an. Die Membran 29 wird gegen die Zugkraft der Rückzugfeder 35 nach oben getrieben, und zusammen mit der Bewegung der Membran 29 wird der Stab 28 so bewegt, daß die Absperrelemente 17 durch den Hebel 25 in der in der Fig. 5 gezeigten geschlossenen Stellung ge­ halten werden.

Im Ergebnis fließt die Ansaugluft, die in jeden Brennraum 5 einzuführen ist, durch die Öffnung 19 unter dem Absperr­ element 17 und dann entlang der unteren Hälfte des Ansaug­ kanales 9, wobei und durch den schraubenförmigen Abschnitt 15 im unteren Teil des Ansaukanales 9 ein Wirbel im Brenn­ raum hervorgerufen wird. Das Wirbelverhältnis des dabei erzeugten Wirbels wird zu etwa 5 gewählt.

Wenn andererseits der Motor unter einer großen Last betrie­ ben wird, ist der Ansaugkrümmer-Unterdruck niedrig. Wenn der Ansaugkrümmer-Unterdruck kleiner wird als ein ausgewählter Wert zwischen 13 und 26 kPa, übersteigt die die Rückzugfeder 35 zusammenziehende Kraft den Ansaugkrümmer- Unterdruck, und die Membran 29 wird nach unten getrieben. Mit der nach unten gerichteten Bewegung der Membran 29 wird der Stab 28 betätigt, um die Öffnung der Absperrelemente 17 über den Hebel 25 zu beginnen. Entsprechend der Änderung im Ansaugkrümmer-Unterdruck werden die Absperrelemente 17 nach und nach geöffnet, bis sie sich in der vollständig geöffneten Stellung befinden.

Im Ergebnis fließt die Ansaugluft, die in jeden Brennraum 5 einzuführen ist, längs dem oberen geraden Abschnitt 13 und dem unteren schraubenförmigen Abschnitt 15 des Ansaugkanales 9. Da der Widerstand gegen den Durchfluß der Ansaugluft nun gering ist, fließt eine ausreichende Menge von Ansaugluft in den Brennraum, und das Wirbelverhältnis ist verringert.

Die Nutzeffekte der vorstehenden ersten Ausführungsform werden nun beschrieben. Wie im Detail mit Bezug auf die erste Ausführungsform der Ansaugkanalanordnung nach der vorliegenden Erfindung dargestellt, hat der Ansaugkanal 9 eine Doppelstruktur, die aus der integralen Kombination des geraden Abschnittes 13 und des schraubenförmigen Abschnittes 15 besteht, und das Absperrelement 17, das in Abhängigkeit von der Belastung des Motors geöffnet und geschlossen wird, ist angrenzend an den Einlaß des Ansaugkanales 9 angeordnet. Wenn die Belastung des Motors gering ist, ist das Absperr­ element 17 vollständig geschlossen, und in den Brennraum einzuführende Ansaugluft strömt durch die Öffnung 19 unter dem Absperrelement 17 und dann längs der unteren Hälfte des Ansaugkanales 9 und wird durch den schraubenförmigen Ab­ schnitt 15 des Ansaugkanales 9 in einen Wirbel verwandelt. Das Vermischen der Ansaugluft mit Brennstoff wird daher gefördert und der Wirkungsgrad der Verbrennung verbessert, wodurch der Brennstoffverbrauch verringert und die Ver­ brennung während der Einführung von rückgeführtem Abgas oder während der Verbrennung eines mageren Brennstoff- Luft-Gemisches, wobei eine Neigung zur unstabilen Ver­ brennung besteht, stabilisiert wird. Auch kann, wenn das Absperrelement 17 vollständig geöffnet ist, ein volume­ trischer Wirkungsgrad erreicht werden, der vergleichbar ist mit dem, der durch den geraden Abschnitt der vorbekannten Anordnung erhalten wird, und die Nachteile der vorbekannten Anordnung wie die verringerte Abgabeleistung bei vollständig offener Absperrelementstellung, die einem verringerten volu­ metrischen Wirkungsgrad zuzurechnen ist und die mit dem schraubenförmigen Abschnitt der vorbekannten Anordnung ver­ bunden ist, können aufgehoben werden.

Wenn ein Motorbetrieb bei einer mittleren Drehzahl oder unter einer mittleren Last festgestellt wird, kann die Steuerung zum Beispiel wie folgt ausgeführt werden. Bei­ spielsweise wird die Steuerung für einen solchen Fall mit Bezug auf ein Fahrzeug beschrieben, das mit einem Motor mit vier Ventilen und doppelter obenliegender Nockenwelle ausgestattet ist. Zum Zwecke der Steuerung ist das Absperr­ element 17 geöffnet, und das Absperrelement 17, das einer anderen Ansaugöffnung (nicht gezeigt) zugeordnet ist, die als Zusatz-Ansaugöffnung dient, ist geschlossen. Mit einer solchen Steuerung kann Ansaugluft, deren Wirbelzustand und deren Wirkungsgrad der Beladung geeignet reguliert wird, in einem Betriebsbereich zum Brennraum zugeführt werden, der zwischen einem Niedrigdrehzahlbereich und einem Hochdreh­ zahlbetriebsbereich des Motors liegt. Entsprechend der Ansaugkanalanordnung, die in der oben beschriebenen Art aufgebaut ist, kann der Zustand der Motoransaugluft geeignet gesteuert werden, wodurch die Motorausgangsleistung wesent­ lich verbessert wird.

Mit Bezug auf die Fig. 11 und 12 wird nun eine zweite Aus­ führungsform beschrieben. In den Fig. 11 und 12 werden für gleiche Teile wie bei der ersten Ausführungsform gleiche Bezugszeichen verwendet, um eine Erläuterung dieser Teile entbehrlich zu machen.

In den Fig. 11 und 12 bezeichnet das Bezugszeichen 41 Ab­ sperrelemente. Die Absperrelemente 41 sind angrenzend an das stromabwärts gelegene Ende eines Ansaugkrümmers 40 angeord­ net, so daß jedes von ihnen die Ansaugkrümmer-Durchgangs­ öffnung 20 und den damit verbundenen Ansaugkanal 9 öffnen und schließen kann. Das Absperrelement 43; ist so geformt, daß es, wenn es vollständig geschlossen ist, im wesentlichen nur die obere Hälfte des Ansaugkanales 9 verschließt und darunter eine Öffnung 43 definiert oder offen läßt. Wie im Falle der ersten Ausführungsform hat diese Öffnung 43 vor­ zugsweise eine Höhe von etwa 5 bis 15 mm, oder ihre Höhe ist vorzugsweise etwa 1/2 bis 1/6 der Ansaugkrümmer- Durchgangsöffnung 20. Wie im Falle der ersten Ausführungs­ form bilden Wellen 45a, 45b, ein Hebel 49 und ein Vakuum­ motor 27 einen Mechanismus zum Öffnen und Schließen der Ab­ sperrelemente 41. Die Ansaugkrümmer-Durchgangsöffnungen 20 des Ansaugkrümmers 40 stehen jeweils mit den Ansaugkanälen 9 einer Anzahl von Brennräumen (vier in der Fig. 12) in Ver­ bindung, wie im Falle der ersten Ausführungsform. Die Wellen 45a und 45b sind an einem vertikal etwa mittleren Teil der Absperrelemente 41 angebracht, die jeweils in den aneinander angrenzenden beiden Ansaugkrümmer-Durchgangsöffnungen 20 an­ geordnet sind, und erstrecken sich durch den Ansaugkrümmer 40.

Diese Wellen 45a und 45b sind durch ein Verbindungselement 47 im Mittelpunkt des Ansaugkrümmers 40 miteinander verbun­ den, und der Hebel 49 ist am freien Ende des Schaftes 45a angebracht. Der Stab 28 des Vakuummotors 27 ist mit dem Hebel 49 verbunden.

Die Arbeitsweise und funktionellen Auswirkungen der zweiten Ausführungsform mit dem obigen Aufbau sind die gleichen wie diejenigen der ersten Ausführungsform. In der zweiten Aus­ führungsform erstrecken sich die die Absperrelemente 41 haltenden Wellen 45a und 45b durch die Ansaugkrümmer-Durch­ gangsöffnungen 20. Die Ausnehmung 22 der ersten Ausführungs­ form an der Anbringungsstelle der Wellen 21a und 21b ist daher unnötig, so daß der Ansaugkrümmer leicht bearbeitet und einfach hergestellt werden kann.

Mit Bezug auf die Fig. 13(a) und 13(b) wird nun eine dritte Ausführungsform beschrieben. Zur Bezeichnung von gleichen Teilen wie bei der ersten Ausführungsform werden dieselben Bezugszeichen verwendet, so daß deren Erläuterung nicht mehr notwendig ist.

In den Fig. 13(a) und 13(b) bezeichnet das Bezugszeichen 16 das in der Fig. 10 gezeigte Absperrelement. Dieses Absperr­ element 16 ist so angebracht, daß es in einer Ansaugkanal- Durchgangsöffnung 20 eines Ansaugkrümmers 53, der am Zylin­ derkopf 3 angebracht ist, vertikal verschiebbar ist.

Das Bezugszeichen 70 bezeichnet einen Öffnungs- und Schließ­ mechanismus, der das Öffnen und Schließen des Absperrele­ mentes 16 steuert. Mit dem oberen Ende des Absperrelementes 16 ist eine Membran 55 verbunden, die ein Gehäuse 57 unter­ teilt. Eine Feder 59 mit einer Zugkraft verbindet die Mem­ bran 55 mit einer oberen Innenfläche des Gehäuses 57. Eine Verbindungsöffnung 61, die in der oberen Wand des Gehäuses 57 ausgebildet ist, erlaubt die Verbindung der oberen Kammer des Gehäuses 57, die von der Membran 55 abgeteilt wird, mit der Atmosphäre. Ein vertikaler Führungskanal 63 ist in der Ansaugkrümmer-Durchgangsöffnung 20 ausgebildet. Das Absperr­ element 16 macht seine vertikalen Gleitbewegungen in diesem Führungskanal 63, und die Ansaugkrümmer-Durchgangsöffnung 20 steht mit der unteren Kammer des Gehäuses 57, die von der Membran 55 abgeteilt wird, durch eine Öffnung 64 zwischen dem Führungskanal 63 und dem Absperrelement 16 in Verbin­ dung. Am unteren Ende des Führungskanals 63 ist ein Anschlag 65 ausgebildet, um die Stellung des unteren Endes bei der gleitenden Bewegung des Absperrelementes 16 festzulegen.

In der vollständig geschlossen Stellung, bei der das Ab­ sperrelement 16 zum unteren Ende seiner gleitenden Bewegung bewegt wird, verbleibt eine Öffnung 67 unter dem Absperrele­ ment 16, um eine Verbindung mit der unteren Hälfte des Ansaugkanales 9 zu ermöglichen. Die Höhe dieser Öffnung 67 ist vorzugsweise etwa 5 bis 15 mm, oder die Höhe der Öffnung 67 ist vorzugsweise etwa 1/2 bis 1/6 der Höhe der Ansaug­ kanal-Durchgangsöffnung 20, wie im Falle der ersten Ausfüh­ rungsform.

Entsprechend dem oben beschriebenen Aufbau der dritten Ausführungsform steigt der Unterdruck im Ansaugkrümmer 53 und damit der Unterdruck in der unteren Kammer des Gehäuses 57, die durch die Membran 55 abgeteilt wird, an, wenn die Belastung des Motors gering ist, und die Membran 55 wird gegen die Zugkraft der Feder 59 nach unten bewegt. Im Er­ gebnis wird das Absperrelement in seine geschlossene Stellung gebracht, wodurch ein Wirbel im Brennraum verur­ sacht wird. Andererseits, wenn die Belastung des Motors groß ist, ist der Innendruck im Ansaugkrümmer 53 nahe dem Atmo­ sphärendruck, und das Absperrelement 16 wird durch die Kraft der Feder 59 nach oben bewegt und ist schließlich vollstän­ dig geöffnet, wodurch die Erzeugung von Wirbeln einge­ schränkt ist.

Bei den Absperrelement-Anordnungen, die in den vorstehenden ersten, zweiten und dritten Ausführungsformen beschrieben sind, kann das Absperrelement 17 der ersten Ausführungsform und das Absperrelement 41 der zweiten Ausführungsform an­ stelle der Anbringung angrenzend an das stromabwärts gele­ gene Ende des Ansaugkrümmers auch an der Seite des Zylinder­ kopfes 3 angebracht werden, wie es in den Fig. 14(a) und 14(b) gezeigt ist. Auch wenn die Absperrelemente 17 und 41 an einer solchen Stelle angeordnet sind, zeigen sie ähnliche funktionale Nutzeffekte wie oben beschrieben.

Es werden nun Modifikationen des Öffnungs- und Schließmecha­ nismus für das Absperrelement beschrieben. Zuerst wird mit Bezug auf die Fig. 15 und 16 als vierte Ausführungsform eine Modifikation des Vakuummotors 27, der den Öffnungs- und Schließmechanismus für das Absperrelement 17 der ersten Ausführungsform bildet, beschrieben.

Die Anordnung ist die gleiche wie bei der ersten Ausfüh­ rungsform, mit der Ausnahme, daß der Ansaugkrümmer-Unter­ druck, der dem Vakuummotor 27 zugeführt wird, in Abhängig­ keit von der Drehzahl und Belastung des Motors gesteuert wird. Es werden die gleichen Bezugszeichen zur Bezeichnung der gleichen Teile verwendet, um eine Erläu­ terung dieser Teile zu vermeiden.

In der Fig. 15 bezeichnet das Bezugszeichen 71 ein Magnet­ ventil, das eine Öffnung 73, die mit der Ansaugkrümmer- Durchgangsöffnung 20 in Verbindung steht, eine Öffnung 75, die mit der Atmosphäre in Verbindung steht, und eine Öffnung 77 aufweist, die mit der Kammer 33 des Vakuummotors 27 in Verbindung steht. Das Magnetventil 71 ist ein Dreiwege­ Magnetventil, das den Verbindungsweg zwischen den Öffnungen 73 und 77 (durch den Pfeil P in der Fig. 15 angezeigt) und die Verbindung zwischen den Öffnungen 77 und 75 (durch den Pfeil Q in der Fig. 15 angezeigt) unter der Kontrolle eines von einem Rechner 79 zugeführten Signals ändert. Ein Aus­ gangssignal von einem Motorbelastungssensor, das heißt einem Drosselklappenöffnungssensor 81 und ein Ausgangssignal von einem Motordrehzahlsensor 82 werden dem Rechner 79 zugeführt und in Abhängigkeit von diesen Signalen führt der Rechner 79 dem Magnetventil 71 ein Betätigungssignal zu.

Der Rechner 79 steuert die vollständige Öffnung und voll­ ständige Schließung des Absperrelementes 17 entsprechend einer Kennlinie wie zum Beispiel in der Fig. 16 gezeigt, so daß das Absperrelement 17 nur dann vollständig geschlossen ist, wenn die Belastung des Motors gering und die Motordreh­ zahl niedrig ist, jedoch im hohen Drehzahlbereich vollstän­ dig geöffnet ist. In diesem Fall ist das Absperrelement 17 im hohen Drehzahlbereich vollständig geöffnet, da in einem Bereich, in dem die Belastung gering und die Drehzahl hoch ist, der Brennstoffverbrauch nicht wesentlich beeinflußt wird, und die Erzeugung eines Wirbels in der Ansaugluft nicht besonders notwendig ist.

Die Federkraft der Rückzugfeder 35 im Vakuummotor 27 ist so gewählt, daß die Membran 29 zwangsweise durch den Ansaug­ krümmer-Unterdruck zum vollständigen Schließen des Absperr­ elementes 17 im Bereich der vollständigen Schließung der Kennlinie der Fig. 16 bewegt wird.

Die Arbeitsweise des Mechanismus wird nun beschrieben. Wenn das Betätigungssignal vom Rechner 79 an das Magnet­ ventil 71 angelegt wird, steht die Öffnung 73 mit der Öffnung 77 In Verbindung, um den Ansaugkrümmer-Unterdruck der Kammer 33 des Vakuummotors 27 zuzuführen, und die Membran 29 wird gegen die Kraft der Rückzugfeder 35 bewegt, wodurch das Absperrelement 17 in seiner vollständig geschlossenen Stellung gehalten wird. Andererseits wird, wenn der Betriebszustand des Motors bei der Kennlinie der Fig. 16 im Bereich des vollständig offenen Absperrelementes liegt, das Betätigungssignal vom Rechner 79 zum Magnetventil 71 abgeschaltet. Die Kammer 33 des Vakuummotors 27 wird nun zur Atmosphäre hin geöffnet, und das Absperrelement 17 wird durch die Kraft der Rückzugfeder 35 vollständig geöffnet. In der obigen Art wird das Absperrelement 17 gesteuert, um in Abhängigkeit von der Belastung und Drehzahl des Motors alternativ in der vollständig offenen Stellung oder der vollständig geschlossenen Stellung gehalten zu werden.

Gemäß der vierten Ausführungsform wird das Öffnen und Schließen des Absperrelementes 17 in Abhängigkeit von der Belastung und Drehzahl des Motors gesteuert. Ein geeignet gesteuerter Wirbel, der dem Betriebszustand des Motors entspricht, wird daher der Ansaugluft erteilt, um den Brennstoffverbrauch und die Abgabeleistung gegenüber der ersten Ausführungsform zu erhöhen, bei der das Öffnen und Schließen des Absperrelementes nur in Abhängigkeit von der Belastung allein gesteuert wird. Auch kann, wenn der Leer­ laufzustand des Motors auf der Basis des Drehzahlsignals und des Belastungssignals festgestellt wird und das Absperrele­ ment 17 nur während des Leerlaufzustandes vollständig ge­ schlossen ist, der Brennstoffverbrauch im Leerlaufzustand verbessert werden.

Der oben beschriebene Öffnungs- und Schließmechanismus für das Absperrelement ist gleichermaßen auf das Absperrelement 41 der zweiten Ausführungsform anwendbar, wodurch ähnliche Nutzeffekte erzielt werden.

Eine fünfte Ausführungsform, bei der anstelle des Vakuum­ motors 27, der den Öffnungs- und Schließmechanismus für das Absperrelement 17 der ersten Ausführungsform bildet, ein Schrittmotor 91 zur laufenden Steuerung des Öffnens und Schließens des Absperrelementes 17 vorgesehen ist, wird nun mit Bezug auf die Fig. 17 und 18(a), (b), (c), und (d) beschrieben. Es werden zur Bezeichnung der gleichen Teile wie bei der ersten Ausführungsform die gleichen Bezugszei­ chen verwendet, so daß eine Erläuterung dieser Teile nicht mehr notwendig ist.

Eine Ausgangswelle 93 des Schrittmotors 91 ist mit dem Hebel 25 verbunden, und der fortschreitende Hub der Ausgangswelle 93 wird durch einen Rechner 95 gesteuert. Ein Ausgangssignal vom einem Wassertemperatursensor 97, ein Ausgangssignal vom einem Drosselklappenöffnungssensor 99 und ein Ausgangssignal von einem Motordrehzahlsensor 82 werden dem Rechner 95 zuge­ führt und der Rechner 95 gibt auf der Basis dieser Signale ein Betätigungssignal an den Schrittmotor 91 ab. Zum Bei­ spiel ist das Absperrelement 17 vollständig geschlossen, wenn der Motor im Leerlauf läuft, es ist 45° geöffnet, wenn das Fahrzeug mit 40 km/h fährt, und es ist vollständig offen, wenn der Motor voll belastet ist.

Die Fig. 18(a), (b), (c) und (d) zeigen experimentell be­ obachtete Daten des Durchflusses der Ansaugluft von einem Ansaugkanal 9 zum Brennraum 5. Das heißt, es werden ein mittleres Wirbelverhältnis (Fig. 18(d)), ein mittlerer Durchflußkoeffizient (Fig. 18(c)) und eine Durch­ flußmenge (l/s) dargestellt, wobei der Hub des Ansaugventils konstant 10 mm beträgt und das Absperrele­ ment 17 aus seiner vollständig offenen Stellung um einen Winkel u in die Schließrichtung bewegt wird. Wenn zum Beispiel der Winkel u sich von 0° auf 60° ändert, ändert sich das mittlere Wirbelverhältnis von 1 zu etwa 3,5. Der Rechner 95 beurteilt den Betriebszustand des Motors von den in der Fig. 18 gezeigten Daten, erzeugt auf der Basis dieser Daten das Betätigungssignal und führt dieses dem Schritt­ motor 91 zu so daß die Öffnung u des Absperrelementes 17 so gewählt wird daß ein optimaler Zustand der Ansaugluft, die dem Motor zugeführt wird, erreicht wird, wodurch der Betrieb des Motors unter optimalen Ansaugluftbedingungen gesteuert wird.

Die Öffnungs- und Schließsteuerung des Absperrelementes, die geeigneter zur Bestimmung des Betriebszustandes des Motors ist als die alternative Auswahl der vollständig offenen Stellung und der vollständig geschlossenen Stellung des Absperrelementes 17, wird daher kontinuierlich ausgeführt, wodurch der Brennstoffverbrauch effektiv verbessert und die Abgabeleistung erhöht ist.

Der Aufbau der fünften Ausführungsform kann auch bei den Absperrelementen der zweiten und dritten Ausführungsform angewendet werden, wodurch ähnliche Nutzeffekte erhalten werden. Die Fig. 19 betrifft die Funktion der dritten Ausführungsform und zeigt ein mittleres Wirbelverhältnis (Fig. 19(d)), einen mittleren Durchflußkoeffizient (Fig.

19(c)) und eine Durchflußmenge (l/s) (Fig. 19(b)) relativ zur Verschiebung des Absperrelementes 16 gemäß Fig. 13 wobei der Hub des Ansaugventils konstant 10 mm beträgt. Der optimale Wert der Öffnung des Absperrele­ mentes 16 kann daher kontinuierlich gesteuert werden, ent­ sprechend dem Betriebszustand des Motors.

Mit Bezug auf die Fig. 20, 21 und 22 wird nun eine sechste Ausführungsform beschrieben, bei der der Öffnungs- und Schließmechanismus für das Absperrelement 17 sich von dem bei der ersten Ausführungsform verwendeten unterscheidet. Zur Bezeichnung gleicher Teile wie bei der ersten Ausfüh­ rungsform werden gleiche Bezugszeichen verwendet, so daß eine Erläuterung dieser Teile nicht mehr notwendig ist.

In den Fig. 20 und 21 bezeichnet das Bezugszeichen 111 eine Feder, die an einem Ende durch ein Halteelement 113 gehalten wird, das am Zylinderkopf 3 befestigt ist, und die mit ihrem anderen Ende mit dem Hebel 25 verbunden ist, um normaler­ weise den Hebel 25 anzuziehen. Ein Anschlag 115 ist am An­ saugkrümmer 11 angeordnet, und der Hebel 25 ist im Eingriff mit dem Anschlag 115, um das Absperrelement 17 in der voll­ ständig geschlossenen Stellung zu positionieren.

Die Zugkraft der Feder 111 ist so gewählt, daß das Absperr­ element 17 entsprechend einer wie in der Fig. 22 gezeigten Kennlinie gesteuert wird. Das heißt, daß die Kraft der Feder 111 so eingestellt ist, daß das Absperrelement 17 einerseits vollstän­ dig geschlossen ist, wenn der Motor leer läuft, und andererseits durch den Durchfluß der Ansaugluft vollständig geöffnet ist, wenn der Motor bei 1000 Upm bei voller Belastung dreht.

Es wird nun die Arbeitsweise der sechsten Ausführungsform erläutert. Wenn der Motor leer läuft, wird das Absperrele­ ment 17 durch die Kraft der Feder 111 angezogen, und der Hebel 25 ist im Eingriff mit dem Anschlag 115, um das Absperrelement 17 in seiner vollständig geschlossenen Stellung zu halten. Mit dem Anwachsen der Drehzahl und der Belastung des Motors nimmt die Durchflußmenge an angesaugter Luft zu, und der auf das Absperrelement 17 durch den Fluß der Ansaugluft ausgeübte Druck wächst an. Das Absperrelement 17 wird um einen Wert geöffnet, der der Durchflußmenge der Ansaugluft entspricht, und befindet sich in seiner vollstän­ dig geöffneten Stellung, wenn die Beziehung zwischen der Belastung und der Drehzahl des Motors eine Grenzkennlinie erreicht, die in der Fig. 22 gezeigt ist, das heißt eine Kurve, die durch die Durchflußmengencharakteristik bei 1000 Upm unter voller Belastung bestimmt ist.

Der Zustand des Absperrelementes 17 kann daher automatisch und kontinuierlich von der vollständig geschlossenen Stel­ lung zu der vollständig offenen Stellung durch den vom Fluß der Ansaugluft, die dem Motor zugeführt wird, ausgeübten Druck geändert werden. Die Durchflußmenge der Ansaugluft, die das Absperrelement 17 in seine vollständig offene Stellung drängt, kann durch Einstellen der Vorspan­ nung der Feder 111 frei gewählt werden, so daß Nutz­ effekte ähnlich der ersten Ausführungsform erreicht werden.

Claims (5)

1. Ansaugkanalanordnung für einen Verbrennungsmotor mit ei­ nem Ansaugkanal (9) für Ansaugluft, die in einen mittels ei­ nes Einlaßventils (7) verschließbaren Brennraum (5) eines Zy­ linders einströmt, wobei der Ansaugkanal (9) einen, bezogen auf die Zylinderaxialrichtung, brennraumseitigen, wirbeler­ zeugenden Abschnitt (15) und einen brennraumentfernteren, wirbelfreien Abschnitt (13) umfaßt, sowie mit einer im Be­ reich des Ansaugkanaleinlasses angeordneten Absperreinrich­ tung (17) zur Veränderung des Querschnitts des Ansaugkanals (9), dadurch gekennzeichnet, daß der wirbelerzeugende Ab­ schnitt (15) eine in die Ansaugkanalwandung eingelassene spiralförmig verlaufende Nut (15a) aufweist.

2. Ansaugkanalanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Absperreinrichtung (17) in der geschlosse­ nen Stellung eine Querschnittshöhe freiläßt, die 1/6 bis 1/2 der Höhe des Ansaugkanals (9) entspricht.

3. Ansaugkanalanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Absperreinrichtung (17) von einem Betä­ tigungsmechanismus (25, 27) betätigbar ist, wobei die Steue­ rung der Absperreinrichtung entsprechend der Belastung des Motors erfolgt.

4. Ansaugkanalanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende der Absperreinrichtung (17) in der stromabwärtigen Richtung der Ansaugluftströmung gebogen ist.

5. Ansaugkanalanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das freie Ende der geschlossenen Absperrein­ richtung (17) mit der Strömungsrichtung einen Winkel von etwa 30° einschließt.